Arquitetura e Organização de Computadores

Arquitetura e Organização de

Computadores

Aula 01 – Tecnologias e

Perspectiva Histórica

Edgar Noda

Pré-história

„

Em 1642, Blaise Pascal (1633-1662) construiu uma

máquina de calcular mecânica que podia somar e subtrair.

Em 1672, Gottfried Leibniz (1646-1716) construiu uma

máquina mecânica que podia também multiplicar e dividir.

Charles Babbage (1792-1871) desenvolveu uma máquina

de uso geral com os seguintes componentes: o

armazenamento, o engenho, a seção de entrada e a seção de

saída usando cartões perfurados

„ A evolução da computação no início dos anos 40 teve

como motivação a necessidade de serem realizados

cálculos para o uso militar de uma forma rápida e eficiente.

„ O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)

„ Em 1943 teve início o trabalho de construção do

ENIAC, um equipamento com a capacidade de realizar até 5000 adições por segundo, sendo finalizado em 1946.

„ No Eniac, os números eram representados na forma

decimal e cada número era armazenados com a utilização de 10 válvulas.

Primeira Geração

A Máquina de von Neumann

Memória Principal Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle Equipamentos de entrada e saída

„

O programa passa a ser armazenado na memória do

computador juntamente com os dados.

„

As tarefas de controle e de operações aritméticas

são separadas.

„

Cria a base da estrutura dos computadores

modernos usados até hoje.

„

A proposta foi implementada com a construção do

computador IAS no Instituto de Princeton em 1952.

A Máquina de von Neumann

O IAS tinha 21 instruções (representadas pelos opcodes)

para realizar as seguintes operações:

transferência de dados;

„

re-direcionamento de seqüências de instruções;

implementação de comandos condicionais;

aritmética;

„

modificação de endereços.

„ Em 1947, a empresa Eckert-Mauchly (mais tarde Unisys)

iniciaram com o UNIVAC I (Universal Automatic Computer) a manufatura de computadores comerciais.

„ Com o lançamento do UNIVAC II inicia-se a característica

de que uma versão de máquina seja compatível com as anteriores.

„ Em 1953, a IBM apresenta o seu primeiro computador com

programa eletronicamente armazenado, o 701, para uso científico.

„ Em 1955 é apresentado o 702 para uso comercial.

Computadores comerciais

A Segunda Geração Os transistores

„ Os transistores foram inventados pela Bell Labs em 1947. „ São dispositivos de estado sólido feitos de silício, mais

baratos, menores e com menor dissipação de calor que as válvulas.

„ Fatos da segunda geração:

„ aparecimento de um software para controle do sistema; „ uso de linguagens de alto nível;

„ aparecimento da Digital Equipment Corporation (DEC)

em 1957 com o lançamento do PDP-1 (Programmed Data Processors) que inicia o fenômeno do mini-computador.

Evolução dos computadores IBM da série 700 de 1952 até a série 7000 em 1964:

„ tamanho da memória: de 2K (2.210=2.1024) palavras de 36

bits à 32 K palavras;

„ tempo de acesso de memória: de 30 micro segundos à 1.4

micro segundos;

„ número de instruções: de 24 para 185;

A Segunda Geração Os transistores

Módulo de I/O com processador próprio

O processo de I/O é iniciado pela CPU que passa o comando para o Canal de

Dados que executa a tarefa e retorna o comando para a CPU

Controla o acesso da CPU e dos Canais de dados a memória

„ Cada transistor usado na segunda geração era um

dispositivo individual que deveria ser soldado na placa de circuito impresso. Assim, conforme o número de circuitos aumentaram, o trabalho de montagem se tornou cada vez mais difícil.

„ A invenção dos circuitos integrados em 1958 iniciam a era

da microeletrônica.

A Terceira Geração Os Circuitos Integrados

Os gates e as células de memória são implementados por transistores e outros componentes de estado sólido. A microeletrônica constrói vários destes dispositivos de uma forma compacta.

„ Lei de Moore (co-fundador da Intel), obtida por observação em

1965:

„ o número de transistores que podem ser colocados em um único chip tende a dobrar a cada ano

„ Após 1970 a taxa de crescimento diminuiu para uma

multiplicação por 2 a cada 18 meses.

„ Principais conseqüências da Lei de Moore:

„ como o custo por chip permanece praticamente o mesmo, o custo do hardware tem caído;

„ como os elementos básicos estão cada vez mais próximos, a velocidade de operação tem aumentado;

„ os computadores se tornam cada vez menores;

A Terceira Geração Os Circuitos Integrados

„ Em 1964 a IBM lança uma nova família de produtos, o

System/360, que era incompatível com as versões anteriores (série 7000).

„ Com esta nova série a IBM passa a dominar o mercado. „ O System/360 foi a primeira família planejada de

computadores do mercado com diferentes desempenhos e preços, sendo que os diversos modelos eram compatíveis entre si, de cima para baixo.

A Terceira Geração Os Circuitos Integrados

As principais características de uma família são:

„ Conjunto de instruções iguais ou similares: possibilita que

um programa que seja executado em uma máquina possa ser executada em outra da mesma família;

„ Sistema operacional idêntico ou similar; „ Aumento de velocidade de processamento; „ Aumento de portas de I/O;

„ Aumento de memória; „ Aumento do Custo.

„ No mesmo ano do lançamento do System/360 (1964) a DEC

lança o PDP-8, um equipamento pequeno o bastante para ser colocado sobre uma bancada ou colocado no interior de outros equipamentos.

„ Enquanto o System/360 custava centenas de milhares de dólares,

o PDP-8 era vendido a cerca de U$ 16.000.

„ O PDP-8 coloca a DEC como segunda maior indústria de

computadores atrás apenas da IBM

A Terceira Geração Os Circuitos Integrados

„ Em contraste com a arquitetura de controle de fluxo central da

IBM, os modelos mais avançados do PDP-8 usavam uma

estrutura de barramento chama- da de Omnibus que consistiam de 96 caminhos de sinais separados, usados para transportar sinais de controle, endereços e dados.

A Terceira Geração Os Circuitos Integrados

„ Característica:

„ aumento da densidade de componentes por chip.

„ Tecnologia:

„ LSI (Large-Scale Integration) - até 10.000 componentes

podem ser colocados em um único circuito integrado (após 1972);

„ VLSI (Very Large-Scale Integration) - mais de 10.000

componentes podem ser colocados em um único circuito integrado (após 1978);

„ Em 1974 o preço por bit armazenado em dispositivos de

memória baseados em semicondutores caí abaixo dos baseados em anéis de materiais ferromagnéticos;

„ Em 1971, a Intel lança o primeiro chip que contêm todos os

componentes de uma CPU, o 4004, iniciando a era dos microprocessadores.

„ Em 1972 a Intel lança o primeiro microprocessador de 8 bits,

o Intel 8008;

„ Em 1974 é lançado o Intel 8080, o primeiro

microprocessador de uso geral, desenvolvido para ser usado em computadores de uso geral;

Fatos históricos

Evolução dos microprocessadores Intel:

„ velocidade de clock: de 108 KHZ (4004 de 1971) à 3600

MHz (Pentium IV).

„ Número de transistores: de 2.300 (4004 de 1971) à

178.000.000

„

O

alimentado pelo desenvolvimento de novas técnicas de adensamento de componentes nos chips de forma a

diminuir as distâncias entre eles e criação de técnicas para manter o processador ocupado, diminuindo o tempo de acesso aos dados.

Por quê aumentar o desempenho dos computadores? Aplicações: „ Banco de Dados; „ Processamento de sinais; „ Processamento de imagens; „ Reconhecimento de voz; „ Videoconferência; „ Multimídia; „ Previsão do tempo.

Desenvolvimento da Tecnologia

Técnicas para manter o processador ocupado:

„ Branch Prediction: o processador coloca em buffers de memória

pedaços do código que poderão ser usados em seguida;

„ Data Flow Analysis: o processador analisa quais instruções são

dependentes dos resultados de outras instruções para agendar a seqüência de processamento;

„ Speculative Execution: O processador mantêm nos buffers

temporários as instruções ou dados com grande probabilidade de serem usadas.

„ Enquanto o desempenhos dos processadores e a capacidade de

armazenamento aumentaram, a interface entre o processador e a memória principal não têm acompanhado esta tendência com a mesma taxa.

„ Com o aumento da densidade, o número de unidades de memória por sistema

tem decaído, diminuindo a possibilidade de se realizar a transferência paralela de dados.

„ Formas de atacar este problema:

„ fazer as memórias mais “largas” ao invés de mais “fundas”, criando mais caminhos de transferência de dados ;

„ incluir sistemas de cache nos chips de memórias;

„ reduzir a freqüência de aceso a memória utilizando caches nos processadores;

„ aumentar a largura de banda dos barramentos e criar sistemas hierárquicos de transferência de dados;