História e Organização Básica de Computadores

História e Organização Básica de

Computadores

Introdução

• Durante a evolução do computador digital moderno foram

projetadas e construídas centenas de diferentes tipos de

computadores.

• Grande parte já foi esquecida há muito tempo, mas

alguns causaram um impacto significativo sobre ideias

modernas.

Geração Zero (1642 – 1945) (1/12)

• A primeira pessoa a construir uma máquina de calcular

operacional foi o cientista francês Blaise Pascal (1623 –

1662).

– Foi construído em 1642, quando Pascal tinha apenas 19 anos, e foi projetado para ajudar seu pai, um coletor de impostos do governo francês.

– Era inteiramente mecânico, usava engrenagens e funcionava com uma manivela operada à mão.

Geração Zero (1642 – 1945) (2/12)

Geração Zero (1642 – 1945) (3/12)

• Trinta anos mais tarde o matemático alemão Gottfried

Wilhelm von Leibniz (1646 – 1716), construiu outra

Geração Zero (1642 – 1945) (4/12)

• Em 1822, Charles Babbage (1792 – 1871), então

professor de matemática da Universidade de Cambridge

e inventor do velocímetro, apresentou a sua Máquina

Diferencial.

– Era um dispositivo mecânico que, assim como o de Pascal, só podia somar e subtrair.

– Foi projetado para calcular tabelas de números úteis para a navegação naval e fazia as operações através do método de

Geração Zero (1642 – 1945) (5/12)

• Máquina Diferencial de

Babbage.

Geração Zero (1642 – 1945) (6/12)

• Embora a máquina diferencial funcionasse razoavelmente

bem, Babbage se empenhou no projeto e construção de

uma sucessora denominada Máquina Analítica.

– Também era inteiramente mecânica e era composta por quatro componentes:

• A armazenagem (memória).

• O moinho (unidade de cálculo).

Geração Zero (1642 – 1945) (7/12)

• Máquina Analítica

de Babbage.

Geração Zero (1642 – 1945) (8/12)

• O grande avanço da máquina analítica era ser de uso

geral.

– Lia instruções de cartões perfurados e as executava.

– Perfurando um programa diferente nos cartões de entrada, era possível fazer com que a máquina analítica realizasse cálculos diversos.

Geração Zero (1642 – 1945) (9/12)

• Visto que a máquina analítica era programável em uma

linguagem de montagem simples, ela precisava de

software.

– Para produzir este software, Babbage contratou uma jovem de nome Ada Augusta Lovelace.

– Assim, Ada Lovelace foi a primeira programadora de computadores do mundo.

– A linguagem de programação Ada® _{tem esse nome para}

Geração Zero (1642 – 1945) (10/12)

• Infelizmente Babbage nunca conseguiu depurar

completamente o hardware.

– O problema era que ele precisava de milhares de dentes e engrenagens produzidos com um grau de precisão que a tecnologia do século XIX não podia oferecer.

– Ainda assim, suas ideias estavam muito à frente de sua época e até hoje a maioria dos computadores modernos tem uma

Geração Zero (1642 – 1945) (11/12)

• No final da década de 1930, um estudante de engenharia

alemão chamado Konrad Zuse, sem conhecer o trabalho

de Babbage, construiu uma série de máquinas

calculadoras automáticas usando relés

eletro-magnéticos.

– Suas máquinas foram destruídas pelo bombardeio aliado em Berlim em 1944, portanto seu trabalho não teve nenhuma

Geração Zero (1642 – 1945) (12/12)

• Um pouco mais tarde, nos Estados Unidos, duas pessoas

também projetaram calculadoras.

– John Atanasoff, no Iowa State College, usando aritmética

binária e a memória composta por capacitores recarregados periodicamente para impedir fuga de carga.

• Processo utilizado nas memórias DRAM modernas.

– A máquina de Atanasoff nunca se tornou funcional.

A Primeira Geração (1945 – 1955) (1/12)

• O estímulo para o computador eletrônico foi a Segunda

Guerra Mundial.

– Durante a fase inicial da guerra, submarinos alemães estavam causando devastação em navios britânicos.

– As instruções de comando dos almirantes alemães em Berlim eram enviadas aos submarinos por rádio, as quais os britânicos podia

interceptar, e interceptavam.

– O problema era que essas mensagens eram codificadas usando um dispositivo denominado ENIGMA, cujo antecessor foi projetado por Thomas Jefferson.

A Primeira Geração (1945 – 1955) (2/12)

• A inteligência britânica conseguiu uma máquina ENIGMA no

início da guerra.

• Para decodificar as mensagens, o governo britânico montou

um laboratório que construiu o primeiro computador

eletrônico, denominado COLOSSUS.

– Alan Turing ajudou no projeto.

– A máquina funcionava desde 1943, mas foi tratada como segredo militar durante 30 anos.

A Primeira Geração (1945 – 1955) (3/12)

A Primeira Geração (1945 – 1955) (4/12)

• Nos EUA, o exército precisava de tabelas de alcance para

mirar sua artilharia pesada.

– Estas tabelas eram produzidas por centenas de mulheres fazendo os cálculos com calculadoras de mão.

– Era um processo demorado e frequentemente surgiam erros.

• Em 1943, John Mauchley e J. Presper Eckert, financiados

pelo exército, passaram a construir um computador

A Primeira Geração (1945 – 1955) (5/12)

• O ENIAC consistia em 18 mil válvulas e 1500 relés,

pesava 30 toneladas e consumia 140 quilowatts de

energia.

• O ENIAC era programado com o ajuste de até 6 mil

interruptores.

• A construção da máquina só foi concluída em 1946, após

a rendição dos japoneses.

A Primeira Geração (1945 – 1955) (6/12)

A Primeira Geração (1945 – 1955) (7/12)

• Eckert e Mauchley logo começaram a trabalhar em um

sucessor, o EDVAC (Electronic Discrete Variable

Automatic Computer).

– Esse projeto ficou fatalmente comprometido quando eles

deixaram a Universidade da Pensilvânia para fundar uma nova empresa, a Eckert-Mauchley Computer Corporation, na

A Primeira Geração (1945 – 1955) (8/12)

• Enquanto Eckert e Mauchley trabalhavam no EDVAC,

uma das pessoas envolvidas no projeto ENIAC, John von

Neumann, foi para o Institute of Advanced Studies de

Princeton para construir sua própria versão do EDVAC, a

Máquina IAS.

A Primeira Geração (1945 – 1955) (9/12)

• Neumann percebeu que programar computadores com

quantidades imensas de interruptores e cabos era uma

tarefa lenta, tediosa e mecânica.

– O processo de programação poderia ser facilitado se o

programa pudesse ser representado em uma forma adequada para armazenamento na memória junto com os dados.

– Alan Turing desenvolveu a ideia praticamente ao mesmo tempo.

A Primeira Geração (1945 – 1955) (10/12)

• Neumann também percebeu que a desajeitada aritmética

decimal usada no ENIAC podia ser substituída pela

aritmética binária, algo que Atanasoff tinha percebido

anos antes.

• A máquina IAS, embora não concluída antes de 1952, é o

protótipo de todos os computadores de uso geral.

A Primeira Geração (1945 – 1955) (11/12)

• A estrutura geral da máquina IAS consistia em:

– Uma memória principal, que armazena dados e instruções.

– Uma unidade lógica e aritmética (ULA) capaz de operar sobre dados binários.

– Uma unidade de controle, que interpreta as instruções na memória e faz com que sejam executadas.

– Equipamento de entrada e saída (E/S) operado pela unidade de controle.

A Primeira Geração (1945 – 1955) (12/12)

• Máquina IAS e John

von Neumann.

A Segunda Geração (1955 – 1965) (1/2)

• A primeira mudança importante no computador veio com a

substituição da válvula pelo transistor.

– O transistor é menor, mais barato e dissipa menos calor que uma válvula.

– Diferente da válvula, que exige fios, placas de metal, uma cápsula de vidro e um vácuo, o transistor é um dispositivo de estado sólido, feito de silício.

– Foi inventado no Bell Labs em 1948 por John Bardeen, Walter

Brattain e William Shockley, pelo qual receberam o Prêmio Nobel de Física em 1956.

A Segunda Geração (1955 – 1965) (2/2)

• O uso do transistor define a segunda geração de

computadores.

– Cada nova geração é caracterizada por maior desempenho de processamento, maior capacidade de memória e tamanho menor que a anterior.

• A segunda geração viu a introdução de unidades lógicas e

aritméticas e unidades de controle mais complexas, o uso

de linguagens de programação de alto nível e a

A Terceira Geração (1965 – 1980)

• Os primeiros computadores de segunda geração

continham cerca de 10 mil transistores.

– Esse número cresceu para centenas de milhares, tornando a manufatura de máquinas mais novas e mais poderosas cada vez mais difícil.

• A invenção do circuito integrado de silício por Robert

Noyce em 1958 permitiu que dezenas de transistores

fossem colocados em um único chip.

A Quarta Geração (1980 – ?) (1/2)

• Na década de 1980, a VLSI (Very Large Scale

Integration) tinha possibilitado colocar primeiro dezenas

de milhares, depois centenas de milhares e, por fim,

milhões de transistores em um único chip.

– Esse desenvolvimento logo levou a computadores menores e mais rápidos.

A Quarta Geração (1980 – ?) (2/2)

• No início, os computadores eram tão grandes e caros que

empresas e universidades tinham de ter departamentos

especiais denominados centrais de computação para usá-los.

• Com a chegada do minicomputador, cada departamento

podia comprar seu próprio computador.

• Em 1980, os preços caíram tanto que era viável um único

indivíduo ter seu próprio computador.

Componentes do Computador (1/16)

• No nível superior, um computador consistem em CPU,

memória e componentes de E/S, com um ou mais

módulos de cada tipo.

– Esses componentes são interconectados de alguma forma para realizar a função básica do computador, que é executar programas.

– Podemos descrever um sistema de computação descrevendo o comportamento externo de cada componente.

Componentes do Computador (2/16)

• Praticamente todos os projetos de computadores

modernos são baseados em conceitos desenvolvidos por

John von Neumann.

• Esse projeto é baseado em três conceitos principais:

– Dados e instruções são armazenados em uma única memória de leitura e escrita.

– O conteúdo dessa memória é endereçável por local, sem considerar o tipo de dados nele contido.

Componentes do Computador (3/16)

• Existe um pequeno conjunto de componentes lógicos

básicos que podem ser combinados de diversas

maneiras para armazenar dados binários e realizar

operações aritméticas e lógicas sobre esses dados.

– Se houver um cálculo em particular a ser realizado, uma configuração de componentes lógicos projetados

Componentes do Computador (4/16)

• Podemos pensar no processo de conexão dos vários

componentes na configuração desejada como uma forma

de programação.

– O “programa” resultante está na forma de hardware e é chamado de programa hardwired.

Sequência de funções aritméticas

e lógicas

Componentes do Computador (5/16)

• Agora considere um modelo de organização mais

"flexível", onde o conjunto de componentes estejam

conectados de forma capaz de executar várias funções

distintas, no qual sua execução varie de acordo com os

sinais de controle que forem aplicados.

Componentes do Computador (6/16)

• Com o hardware de uso geral, o sistema aceita dados e

sinais de controle e produz os resultados.

– Assim, em vez de religar o hardware para cada novo

programa, o programador simplesmente precisa fornecer um novo conjunto de sinais de controle.

Componentes do Computador (7/16)

• Como os sinais de controle devem ser fornecidos?

– O programa inteiro é uma sequencia de etapas.

– Em cada etapa, alguma operação aritmética ou lógica é realizada sobre alguns dados.

– Para cada etapa, um novo conjunto de sinais de controle é necessário.

– Para isso, acrescenta-se ao hardware de uso geral um segmento que pode aceitar um código e gerar sinais de

Componentes do Computador (8/16)

Componentes do Computador (9/16)

• A programação agora é muito mais fácil.

– Em vez de religar o hardware para cada novo programa, tudo o que precisa ser feito é oferecer uma nova sequência de

códigos.

– Cada código é uma instrução, e parte do hardware interpreta cada instrução e gera sinais de controle.

– Uma sequência de códigos ou instruções é chamada de

Componentes do Computador (10/16)

• Temos dois componentes importantes do sistema: um

interpretador de instrução e um módulo para funções

aritméticas e lógicas de uso geral.

– Esses dois constituem a CPU.

– Vários outros componentes são necessários para resultar em um computador funcionando.

Componentes do Computador (11/16)

• Dados e instruções precisam ser colocados no sistema e

para isso precisamos de algum tipo de módulo de entrada.

– Esse módulo contém componentes básicos para aceitar dados e instruções em alguma forma e convertê-los para uma forma interna de sinais que possam ser usados pelo sistema.

• Também é necessário um meio de informar resultados, e

este tem a forma de um módulo de saída.

Componentes do Computador (12/16)

• Mais um componente é necessário: um dispositivo de

entrada que trará dados e instruções sequencialmente.

– Mas um programa não é invariavelmente executado de forma sequencial.

– De modo semelhante, as operações sobre dados podem exigir acesso a mais do que apenas um elemento de cada vez em uma sequência predeterminada.

– Assim, deverá haver um lugar para armazenar instruções e dados temporariamente.

Componentes do Computador (13/16)

• Esse módulo é chamado de memória.

– Ou memória principal, para distingui-la do armazenamento externo, ou dispositivos periféricos.

– Von Neumann indicou que a mesma memória poderia ser usada para armazenar tanto instruções quanto dados.

Componentes do Computador (14/16)

• A CPU troca dados com a memória.

• Para essa finalidade, ela normalmente utiliza dois

registradores internos:

– Um registrador de endereço de memória (MAR)

• Especifica o endereço na memória para a próxima leitura ou escrita.

– Um registrador de buffer de memória (MBR)

• Contém os dados a serem escritos na memória ou recebe os dados lidos da memória.

Componentes do Computador (15/16)

• De modo semelhante, um registrador de endereço de E/S

(I/O AR) especifica um dispositivo de E/S em particular.

• Um registrador de buffer de E/S (I/O BR) é usado para

troca de dados entre um módulo de E/S e a CPU.

Componentes do Computador (16/16)

• Um módulo de memória consiste em um conjunto de locais,

definidos por endereços numerados sequencialmente.

– Cada local contém um número binário que pode ser interpretado como uma instrução ou um dado.

• Um módulo de E/S transfere dados dos dispositivos

externos para a CPU e a memória, e vice-versa.

– Ele contém buffers internos para manter esses dados temporariamente até que possam ser enviados.

PC MAR IR MBR I/O AR I/O BR Unidade de execução • • • Módulo de E/S • • • Instrução Instrução Instrução • • • Dados Dados Dados Dados • • • 1 2 3 • • • n – 2 n – 1 PC = Contador de programa IR = Registrador de instrução MAR = Registrador de endereço

de memória

MBR = Registrador de buffer de memória

I/O AR = Registrador de endereço de entrada/saída

I/O BR = Registrador de buffer de entrada/saída