ARQUITETURA DE COMPUTADORES
Prof. Ricardo Rodrigues Barcelar
http://www.ricardobarcelar.com.br
- Aula 2 –
ESTÁGIOS DA EVOLUÇÃO DA ARQUITETURA DOS COMPUTADORES
1. INTRODUÇÃO
Centenas de tipos diferentes de computadores foram projetados e construídos ao
longo do ciclo evolutivo dos computadores digitais. Alguns projetos merecem destaque, pois
eles nos ajudarão a ter uma idéia melhor sobre o assunto.
Tabela 1 - Evolução dos computadores
2. GERAÇÕES
2.1. Geração Zero – Computadores Mecânicos (1642 - 1945)
Naquela época, os computadores nada mais eram que simples máquinas de calcular.
Seu construtor foi o cientista francês Blaise Pascal, que o construiu para ajudar o pai que
trabalhava como coletor de impostos.
1
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
Prof. Ricardo Rodrigues Barcelar
http://www.ricardobarcelar.com.br
A evolução da máquina de Pascal, que apenas fazia somas e subtrações, foi outra
calculadora 30 anos mais tarde, porém esta era capaz de fazer multiplicações e divisões.
150 anos mais tarde, Charles Babbage (1792-1871) inventou sua máquina
diferencial, um dispositivo mecânico que construía tabelas de números a serem usadas
pela navegação naval usando um único algoritmo. Sua principal característica era o seu
método de colocar na saída as informações processadas por ela: ela perfurava seus
resultados em um prato de cobre. Mídia esta que acabou por ser a precursora dos CD’s.
O mesmo Charles Babbage construiu uma máquina analítica que tinha quatro
componentes importantes:
- Memória
- Unidade de Computação
- Unidade de Entrada (Leitora de cartões perfurados)
- Unidade de Saída (Saída impressa que perfurava os cartões)
A máquina analítica tinha ainda outra grande vantagem, que era o fato de ser uma
máquina de propósito geral.
Outras invenções vieram somente em 1944, quando surgiu a máquina de Babbage
com relés, construída por pelo cientista Howard Aiken. Tinha aí então o início da era da
eletrônica.
2.2. Primeira Geração – Válvulas (1945-1955)
Computadores valvulados surgiram com o estímulo da Segunda Grande Guerra
quando os submarinos alemães estavam promovendo um grande estrago na Armada
Britânica. As mensagens enviadas de Berlim que eram interceptadas eram todas
criptografadas por um dispositivo conhecido por ENIGMA. Para decifrar a mensagem foi
construído um computador chamado COLOSSUS. O desenvolvimento do Colossus teve a
colaboração de Alan Turing, famoso matemático britânico. Apesar de o Colossus não ter se
desenvolvido, ele foi o primeiro computador eletrônico construído no mundo.
Depois disso veio o ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer),
construído com o intuito de realizar cálculos que formariam tabelas de direção de tiro para a
artilharia americana. O ENIAC tinha 18.000 válvulas e 1.500 relés. Para programá-lo era
necessário ajustar a posição de 6.000 chaves de várias posições e conectar um número
imenso de soquetes e cabos.
Depois disso vários projetos surgiram onde então foi projetado por Jay Forrester as
memórias de núcleos magnéticos.
Nos idos de 1950 desenvolvia-se uma pequena empresa que fabricava máquinas de
perfurar cartões conhecida como IBM, que produziu em 1953 o 701, o primeiro de uma série
de máquinas científicas que dominou o mercado por toda uma década.
Em 1951, a IBM produziu sua última máquina valvulada, o 709.
2
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
Prof. Ricardo Rodrigues Barcelar
http://www.ricardobarcelar.com.br
Figura 1 - Válvula
2.3. Segunda Geração - Transistores (1955-1965)
O transistor foi inventado no Bell Labs em 1948, por John Bardeen, Walter Brattain e
William Shockley, vencedores do prêmio Nobel de Física de 1956. A primeira máquina
transistorizada foi o TX-0 (Transistorized EXperimental Computer 0). Como sempre,
diversos projetos foram desenvolvidos com essa tecnologia, entre os quais podemos citar o
B5000 que era capaz, e construído para esse fim, de rodar programas em Algol601. Com
esse projeto começou a tomar corpo a idéia de que o software era uma peça importante do
projeto de uma máquina.
Figura 2 - Componentes eletrônicos
2.4. Terceira Geração – Circuitos Integrados (1965-1980)
Em 1958, Robert Noyce desenvolveu um processo de integrar circuitos eletrônicos em
substratos de silício, técnica que possibilitou que dezenas de transistores fossem colocados
no mesmo chip.
A IBM foi a empresa que mais utilizou e fez desenvolver em seus projetos essa nova
tecnologia. Dentre eles destaca-se o System360. Outra inovação que veio junto com o
System360, foi a implementação da multiprogramação2. Além disso, vários modelos do
System360 eram microprogramados, que possibilitavam a emulação de outras máquinas.
Esta vantagem foi a razão do sucesso à época.
1
2
Linguagem de programação de alto nível antecessora do Pascal.
Capacidade de manter diversos programas na memória ao mesmo tempo.
3
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
Prof. Ricardo Rodrigues Barcelar
http://www.ricardobarcelar.com.br
Figura 3 - Circuito Integrado
2.5. Quarta Geração – Integração de Circuitos em Escala Muito Alta (1980 - Hoje)
Na década de 80 a integração de circuitos em alta escala tornou possível a colocação,
de dezenas de milhares de transistores em um chip. Isso propiciou a criação dos
minicomputadores que passaram a fazer parte da realidade de muitas empresas nos
chamados Centros de Computação ou Centros de Processamento de Dados. Desse
ponto em diante começava então a era da computação pessoal.
Os computadores pessoais eram usados de maneira totalmente diferentes dos
computadores de grande porte. Sua utilização se dava para o processamento de textos, uso
de planilhas eletrônicas e rodar aplicações interativas que os computadores de grande porte
não tratavam bem.
Surgia então a Apple no mercado. Neste período a IBM também dominou o mercado
com computadores como o PC (Personal Computer) que utilizava processadores da
Intel.
Nesta época, ainda surgiram diversos sistemas operacionais como o Apple
Macintosh e o próprio Microsoft Windows que viria substituir o MS-DOS que
acompanhava os PC´s.
Os meados da década de 1980 marcaram o aparecimento de processadores
conhecidos como arquitetura RISC3 que competia bastante com processadores CISC4.
3. FAUNA COMPUTACIONAL
3.1. Forças Tecnológicas e Econômicas
A indústria está se desenvolvendo a uma velocidade sem precedentes. A força motriz
desse desenvolvimento é a capacidade dos fabricantes de chips em integrar um número
cada vez maior de transistores (chaves eletrônicas) em uma pastilha de silício. Isto significa
memórias maiores e processadores mais poderosos. Observe a figura:
3
4
RISC – Reduced Instruction Set Computer
CISC – Complex Instruction Set Computer
4
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
Prof. Ricardo Rodrigues Barcelar
http://www.ricardobarcelar.com.br
Figura 4 - Relação quantidade de transistores/ano
Os avanços na tecnologia de transistores e chips levam a produtos melhores, preços
mais baixos e novas aplicações. Este ciclo fomenta mercados que faz crescer a tecnologia. O
avanço tecnológico que tratamos no texto se vê expresso quando comparamos o velho
PC/XT da IBM introduzido no mercado em 1982 ou um HD(Hard Disk) de 10 MB com os
atualmente produzidos.
3.2. Espectro Computacional
Neste contexto, no referimos em onde e no que os recursos computacionais estão
alocados. Observe a figura:
Tabela 2 - Avaliação do Espectro Computacional
Na faixa inferior temos chips que aparecem dentro de cartões. Estes chips têm
funções bastante simples como tocar uma música ao se abrir o cartão.
No nível seguinte, temos os processadores embarcados nos telefones, televisores,
microondas, etc. Estes dispositivos têm pouca memória, um processador e alguma
capacidade de entrada e saída.
5
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
Prof. Ricardo Rodrigues Barcelar
http://www.ricardobarcelar.com.br
O próximo nível aparece o vídeo-game. São computadores normais com facilidades
para tratar imagens, mas com um software bastante limitado.
A seguir temos os computadores pessoais que, além de possuir componentes mais
avançados, possuem sistemas operacionais sofisticados. Nesta classificação também se
enquadram alguns servidores, estações de trabalho, cluster’s de estações de trabalho, etc.
Seguindo surgem os mainframes – computadores de grande porte que ocupam salas
inteiras. Em muitos casos não são muito rápidos, mas tem uma grande capacidade de
entrada e saída, além de serem equipados com discos que armazenam grande quantidade
de dados na ordem de terabytes ou pentabytes.
Na faixa seguinte estão os supercomputadores - máquinas com processadores
extremamente velozes, muitos gigabytes de memória principal e sistema de discos muito
eficientes. A tendência dessas máquinas é serem projetadas como máquinas altamente
paralelas, mas com componentes mais rápidos e em maior número. São normalmente
utilizados na resolução de problemas que exijam intensa atividade de processamento, em
geral pertencentes ao domínio das ciências e da engenharia, como simulações.
6