Aula 2: Histórico da Evolução dos Computadoresdiego/disciplinas/2015_1/FAC/arquivos/aula2.pdf · Aula 2: Histórico da Evolução dos Computadores Diego Passos Universidade Federal

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Aula 2: Histórico da Evolução dos Computadores

Diego Passos

Universidade Federal Fluminense

Fundamentos de Arquiteturas de Computadores

Diego Passos (UFF) Histórico FAC 1 / 46

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Dispositivos Primitivos de Computação


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O Conceito de Computação

O que é significa o conceito de computação?▶ No seu nível mais básico, é a manipulação de dados para algum fim.

Nos primórdios da computação, os dados eram números.E as manipulações eram operações/funções matemáticas.Hoje, a computação engloba um universo muito mais abrangente:

▶ Informação pode ser números, textos, datas, mapas, imagens, áudio, vídeo, . . .▶ As manipulações podem incluir análise de imagens, tratamento de fotos, transmissão de dados,

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O Primeiro Computador?O primeiro equipamento de cálculo da história é provavelmente o ábaco.

▶ Registros históricos datando de 5000 aC.▶ Vários locais: Grécia, China,

Um ábaco é formado por uma série de hastes paralelas presas em uma moldura.Cada haste possui uma determinada quantidade de contas (tipicamente, pequenas esferasou fichas).

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Diego Passos (UFF) Histórico FAC 4 / 46

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Ábaco: Representação de NúmerosUm tipo comum de ábaco é o Soroban (Ábaco Japonês).O Soroban possui 5 contas em cada haste, sendo a de cima separada das outras 4.Cada haste representa um algarismo decimal.

▶ Unidades mais à esquerda, depois dezenas, centenas, . . .

Cada conta do grupo de baixo que é levantada representa uma unidade a mais no algarismo.Se a conta de cima é abaixada, deve-se acrescentar 5.

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0Diego Passos (UFF) Histórico FAC 5 / 46

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Ábaco: Realizando Cálculos

Uma vez tendo representado um determinado número no ábaco, é fácil somá-lo com outro.▶ Basta realizar as somas algarismo a algarismo, repassando corretamente o “vai-um”.▶ Com a prática, é possível realizar somas grandes rapidamente.

Também há algoritmos para outras operações, como subtrações multiplicações e divisões.Podemos ainda arbitrar uma posição para a vírgula e fazer contas com númerosfracionários.

▶ Aritmética de ponto fixo.


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Régua de Cálculo

Outro dispositivo manual que permite realizar cálculos é a Régua de Cálculo.Ao contrário de uma régua comum, com escala linear, contém escalas logarítmicas.Possui peças móveis para que as escalas possam deslizar umas sobres as outras.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0


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Régua de Cálculo: Realizando Cálculos

Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações.Isso porque log(x) + log(y) = log(x · y).Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3.

▶ Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A.

▶ Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B.▶ Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente.▶ Este valor é o resultado da multiplicação.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

1,0 2,0 3,0 4,0


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▶ Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A.▶ Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B.

▶ Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente.▶ Este valor é o resultado da multiplicação.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

1,0 2,0 3,0 4,0


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▶ Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A.▶ Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B.▶ Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente.

▶ Este valor é o resultado da multiplicação.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

1,0 2,0 3,0 4,0


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▶ Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A.▶ Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B.▶ Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente.▶ Este valor é o resultado da multiplicação.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

1,0 2,0 3,0 4,0


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Régua de Cálculo: Divisões

As divisões também são triviais.Porque log(x) − log(y) = log(x/y).Outro exemplo simples: dividir 8 por 4.

▶ Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 4 coincida com o 8 da escala A.▶ Em seguida, encontramos o valor 1 na escala B.▶ Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente.▶ Este valor é o resultado da divisão.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

10,01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0


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Régua de Cálculo: Outras OperaçõesModelos “modernos” da régua de cálculo geralmente trazem várias escalas diferentes.

▶ Escalas logarítmicas de uma, duas, três décadas.▶ Escalas lineares.▶ Escalas logarítmicas invertidas.▶ Escalas trigonométricas.▶ . . .

É possível realizar um grande número de operações.▶ Multiplicação, divisão, logaritmos, raízes, potências, exponenciais, . . .▶ Algumas realizam conversões de unidades.


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Régua de Cálculo: História

A régua de cálculo foi criada em 1632 por William Oughtred.Nas décadas de 1950 e 1960 eram muito difundidas entre engenheiros, físicos e cientistas.

▶ Até astronautas das missões Apollo levavam réguas nas viagens.

A partir de meados da década de 1970, com a redução do custo das calculadoraseletrônicas, réguas cairam em desuso.


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Computadores Mecânicos

Dispositivos como a régua de cálculo e o ábaco são manuais.▶ Usuário realiza todo o trabalho.▶ Dispositivos apenas organizam os dados de forma a simplificar cálculos.

Durante o século XVII, alguns físicos e matemáticos viram a necessidade de automatizarcálculos.Nesta época, começaram a surgir calculadoras mecânicas.

▶ Dispositivos mecânicos capazes de realizar “automaticamente” operações aritméticas.


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A Pascalina

A primeira calculadora mecânica bem sucedida foi a Pascalina.▶ Também conhecida como a Calculadora de Pascal.

Criada em 1642 por Blaise Pascal.Capaz de realizar somas e subtrações com “vai-um”.


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A Pascalina: Interface

Possui um acumulador cujos algarismos são exibidos emum mostrador.Há também um conjunto de dials (similareas a detelefones antigos).

▶ Cada um representa um algarismo de entrada.Ao girar um dial, seu valor é adicionado ao acumulador.

▶ Subtrações são obtidas através de complemento a 9.


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Stepped Reckoner: A Calculadora de Leibniz

Uma das limitações da Pascalina era a impossibilidade de realizar multiplicações.Em 1672, o matemático alemão Gottfried Leibniz projetou uma máquina que seria capaz derealizar as 4 operações básicas.Esta máquina, chamada de Stepped Reckoner, utilizava um dispositovo mecânicoconhecido como Roda de Leibniz.

A Stepped Reckoner nunca funcionou de forma confiável,devido a falhas de projeto e limitações do processo defabricação.Mas o conceito da Roda de Leibniz ficou.

▶ Serviu de base para outras calculadoras mecânicasutilizadas durante 200 anos.


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Charles Babbage

Matemático, físico e engenheiro inglês.Nascido em 1791.Projetou e construiu computadores mecânicos.

▶ Bem complexos que as calculadoras da época.

Por suas invenções, é às vezes chamado de “Pai doComputador”.


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Máquina de Diferenças

Primeiro computador mecânico projetado por Charles Babbage.Motivado pela necessidade de tabelas numéricas confiáveis para funções matemáticas.

Capaz de calcular valor de polinômios usando ométodo de diferenças finitas.

▶ Evita a necessidade de multiplicações edivisões.

Dada a capacidade de computar polinômios, épossível calcular aproximações para funçõesmais complexas.

▶ Logaritmos, funções trigonométricas, . . .


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Máquina Analítica

Outro computador mecânico projetado porBabbage.Muito mais complexo que a Máquina deDiferenças.Primeiro computador de propósito geral.

▶ Não era apenas uma calculadora, comoperações pré-determinadas.

▶ Permitiria programação através de cartõesperfurados.

▶ Em outras palavras: seria possível executaralgoritmos.


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Máquina Analítica (Mais)

A Máquina Analítica nunca foi (completamente) construída.▶ Muito complexa para a tecnologia e os métodos de fabricação da época.▶ Parte dela foi construída mais recentemente e está exposta no Museu de Ciência de Londres.

Mesmo assim, seus projetos estabeleceram princípios presentes até hoje nos computadoresmodernos.

▶ Unidade lógica-aritmética, Controle de Fluxo de Execução, Repetições, Memória, . . .

Embora a Máquina de Diferenças tenha sido um passo importante, a Máquina Analítica foia principal contribuição de Babbage.Alguns historiadores acreditam que ela deu origem à primeira programadora da história.

▶ Ada Lovelace.


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Computadores Elétricos e Eletrônicos


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O Relé Eletromecânico

Computadores mecânicos complexos eram de difícil fabricação.▶ Requeriam muita precisão na montagem e fabricação das peças.▶ Além de projetos muito grandes.

No início do Século XX, notou-se quecomputadores utilizando componenteselétricos poderiam ser uma alternativa.O principal personagem desta mudança deparadigma foi o relé eletromecânico.


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O Relé Eletromecânico (Mais)

Um relé é um componente elétrico que funciona como uma chave.▶ Pode ser aberta ou fechada através de corrente elétrica.

Uma chave controlada por circuito permite a representação de dois estados: ligado edesligado.

▶ Podemos armazenar informação e operar sobre ela.▶ Origem da computação digital.

Operação

Lógica OU

Vcc

Vcc

Representação

de um bit 0

Vcc

Representação

de um bit 1

Vcc

Operação

Lógica E


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Computadores Z1 e Z3

Em 1938, o alemão Konrad Zuse construiu um computador mecânico chamado Z1.▶ Não era possível utilizá-lo por um período longo.

Na mesma época, Zuse recebeu a sugestão de construir um modelo baseado emcomponentes elétricos/eletrônicos.Após construir um primeiro protótipo chamado Z2, Zuse conseguiu financiamento paraconstruir uma versão melhorada, o Z3.

▶ Utilizava relés.▶ Primeiro computador programável, digital, e totalmente funcional.

Serviu a propósitos de guerra e foi destruído após seu fim.▶ Análises aerodinâmicas.


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Z3: Desempenho

Construído com 2000 relés.Operava sobre números de 22 bits.Clock de 5 a 10 Hz.Código executável e dados eramarmazenados em cartões perfurados.


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A Válvula Eletrônica

O uso de relés permitiu os primeiros computadores elétricos.No entanto, relés são lentos.

▶ Troca de estado demora.Em um computador, bits trocam de estado a todo momento.

▶ Tempo de transição dos relés é um gargalo.Solução encontrada:

▶ Utilizar válvulas eletrônicas.▶ Chaveamento mais rápido.▶ Início dos computadores eletrônicos.


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O ENIAC

Electronic Numerical Integrator And Computer.Primeiro computador de propósito geral eletrônico.

▶ Usava válvulas.

Projetado por John Mauchly e John P. Eckert (Universidade da Pensilvânia).Mais de 17000 válvulas e 800 Km de cabos.Cerca de 30 toneladas.Consumia 150 KW de potência.Operou até 1955.


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O ENIAC (Mais)

Programação era feita pela manipulação de chaves e cabeamento.Dados podiam ser lidos de cartões perfurados.Armazenava números em base decimal.


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John von Neumann

Físico e matemático do século XX.Participou como consultor no projeto e construção do EDVAC.Figura importante na história da computação.

▶ Propôs a Arquitetura de Von Neumann.


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Arquitetura de Von Neumann

Características:▶ Computador eletrônico de programa armazenado.▶ Código e dados em memória única.

(Quase) Mesma empregada até hoje.Normalmente, se opõe à Arquitetura de Harvard:

▶ Programa também é armazenado.▶ Mas há memórias (barramentos) diferentes.

Consequência da memória única:▶ Impossível ler instrução e dados simultaneamente.▶ Gargalo de Von Neumann.

UCP

Unidade de Controle

UnidadeLógica-Aritmética

Memória

E/S


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O Transistor

Na década de 60 começaram a se popularizar.Substituíram as válvulas nos computadores.

▶ Menores.▶ Menor consumo.▶ Mais baratos.▶ Mais confiáveis.▶ Mais duráveis.▶ . . .


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O TX-0

Transistorized Experimental computer zero.Primeiro computador transistorizado.Desenvolvido no MIT.Construído em 1955.Usava 3600 transistores.


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O PDP-1

Programmed Data Processor-1.Desenvolvido pela DEC (Digital EquipmentCorporation).Construído em 1959.Aproximadamente 9 KB de memória.Versão básica custava $150.000,00 (equivalente a$950.000,00 em 2015).


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Linguagens de Alto Nível

Em 1957, IBM (John W. Backus) cria a primeira linguagem de programação de alto nível.▶ Fortran: Formula Translating System.▶ Alternativa à linguagem de montagem no IBM 704.

Inicialmente, programas eram escritos em cartões perfurados.


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O Circuito Integrado

No final da década de 1950, surgem os primeiros circuitos integrados.▶ Ideia de agrupar circuitos eletrônicos em uma unidade, o chip.

Em relação aos componentes discretos:▶ Mais baratos.▶ Mais eficientes.▶ Menores.


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O IBM /360

Família de computadores.▶ Mesma arquitetura, linguagem de máquina parecida,

capacidades diferentes.

Lançado em 1965 pela IBM.Modelo inicial capaz de executar 34500 instruçõespor segundo.No máximo 64 KB de memória (também no modeloinicial).Último modelo lançado em 1978.Muito bem sucedido no mercado.

▶ Até hoje, IBM mantém algum nível decompatibilidade das aplicações com servidoresatuais.


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O Microcomputador

Computadores como o IBM /360 eram mainframes.▶ Grandes computadores de alta capacidade.▶ Geralmente, compartilhados por vários usuários.

Em 1975, a MITS lança o Altair 8080.▶ Primeiro microcomputador.▶ Capacidade relativamente baixa.▶ Uso individual.▶ Menor.▶ Mais barato.

Usava o 8080, processador de 8 bits da Intel.Tinha um interpretador da linguagem Basic.

▶ Desenvolvido por Bill Gates e Paul Allen.


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O PC

Os microcomputadores se popularizaram.▶ Pequenos e baratos.▶ Adequados para casas e pequenos escritórios.

Em 1981, a IBM lança o IBM PC.▶ Baseado na arquitetura 8086.▶ Muito bem sucedido no mercado.

Se tornaria um padrão de fato.▶ Outros fabricantes começaram a vender

computadores PC-compatible.


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Miniaturização

A partir da década de 90, o processo de miniaturização dos computadores continuouacelerado.Ao mesmo tempo, a capacidade (processamento e memória) também aumentourapidamente.


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Computadores Modernos


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Computadores Atuais: Componentes Típicos


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Supercomputadores

Computadores de grande capacidade.▶ Processamento, memória, . . .

Capazes de realizar trilhões (ou mais) de operaçõespor segundo.Usam muitos processadores interconectados.Utilizados para aplicações como previsão do tempo esimulações científicas.Bastante caros.


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Clusters e Grades Computacionais

Alternativa mais barata para computação de alto desempenho.Ideia de formar um computador com processadores fracamente acoplados.Em geral, computadores pequenos separados conectados por uma rede.


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GPUsA demanda por aplicações e jogos com gráficos cada vez melhores levou ao surgimento dasGPUs.

▶ Unidades de processamento específicas para gráficos.▶ Normalmente contém muitos processadores especializados trabalhando em paralelo.

Potencial também para processamento de propósito geral.▶ Inclusive, em clusters de GPUs.


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Lei de Moore

Em um artigo em 1965, GordonE. Moore, fundador da Intel fezuma observação.Segundo ele, o número detransistores nos computadoresaproximadamente dobrava a cadadois anos.Ele fez a previsão de que estatendência continuaria.


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Histórico do Desempenho dos ComputadoresCom o aumento exponencial do número de transistores, veio também um aumentoexponencial do desempenho.


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Histórico do Desempenho dos Computadores (Mais)

Modelo ENIAC IBM 704 IBM S/360 M50 VAX 11-780 Sun SPARC Dell 4600Data 1946 1955 1965 1978 1992 2003Tempo para soma 200 us 24 us 4 us 400 ns 25 ns 208 psTempo de acesso àmemória

12 us 2 us 200 ns 80 ns 3 ns

Memória Total 168 KB 64 KB 128 KB 128 MB 256 MBAluguel $48.000 $32.00 $6.000Compra $500.000 $1.390.000 $409.000 $128.000 $15.000 $800Atualizado (2003) $4,7 M $9,5 M $2,4 M $360.000 $19.600 $800


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Aula 2: Histórico da Evolução dos Computadoresdiego/disciplinas/2015_1/FAC/arquivos/aula2.pdf · Aula 2: Histórico da Evolução dos Computadores Diego Passos Universidade Federal