ARQUITETURA DE COMPUTADORES - 1866
1 – Introdução:
A função de um computador é processar dados. Para processá-los é preciso
movê-los até a unidade central de processamento (CPU), armazenar resultados
intermediários e finais em locais onde eles possam ser encontrados mais tarde e
controlar estas funções de transporte, armazenamento e processamento. Portanto,
tudo que um computador faz pode ser classificado como uma destas quatro ações
elementares: processar, armazenar e mover dados ou controlar estas atividades. Por
mais complexas que pareçam as ações executadas por um computador, elas nada
mais são que combinações destas quatro funções básicas.
A definição destas ações e a forma como os diversos componentes de um
computador são organizados, define aquilo que é conhecido por Arquitetura de
Computador e vai determinar aspectos relacionados à qualidade, ao desempenho e
à aplicação para a qual o computador vai ser orientado.
1.1 – Conceitos:
Processamento de Dados: Tradução do termo inglês Data Processing, pode
ser visto como uma série de atividades realizadas ordenadamente, com o objetivo de
produzir um arranjo determinado de informações a partir de outras obtidas
inicialmente.
A manipulação das informações coletadas no início da atividade chama-se
processamento.
As informações iniciais são usualmente denominadas dados. Os termos dado
e informação podem ser tratados como sinônimos ou como termos distintos; dado
pode ser definido como a matéria-prima originalmente obtida de uma ou mais fontes
(etapa de coleta) e informação, como o resultado do processamento, isto é, o dado
processado ou "acabado".
Etapas básicas de um processamento de dados
DADOS
→
PROCESSAMENTO
→
RESULTADO
(Informação)
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A busca de técnicas mais eficazes de processamento de dados, aliada ao
natural avanço tecnológico em diversos outros ramos de atividade, como a eletrônica
e a mecânica, por exemplo, conduziu o mundo ao desenvolvimento de equipamentos
de Processamento Eletrônico de Dados (PED) - os computadores - capazes de
coletar, armazenar e processar dados muito mais rapidamente que os antigos meios
manuais.
Sistemas
Conjunto de partes coordenadas que concorrem para a realização de um
determinado objetivo.
Sistemas de Processamento de Dados (SPD)
São aqueles responsáveis pela coleta, armazenamento, processamento e
recuperação, em equipamentos de processamento eletrônico, dos dados necessários
ao funcionamento de um outro sistema maior: o sistema de informações.
Compreende duas partes:
•
o sistema de computação (o computador e os programas básicos),
normalmente fornecido completo pelo fabricante;
•
os sistemas de aplicação, desenvolvidos pelo usuário ou por terceiros,
especificamente dedicados à aplicação de interesse do usuário.
Sistemas de Informação (numa empresa)
Conjunto de métodos, processos e equipamentos necessários para se obter,
processar e utilizar informações dentro da empresa. Desta forma, ele compreende
não só o SPD, como também todos os procedimentos manuais necessários a prover
informações para um determinado nível de decisão de uma organização.
Sistemas de Computação
O conjunto formado pelos circuitos eletrônicos e partes eletromecânicas de
um computador é conhecido como hardware (ainda não há uma tradução
adequada para esta palavra). É a parte física, visível do computador.
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Software consiste em programas, de qualquer tipo e em qualquer linguagem,
que são introduzidos na máquina para fazê-la trabalhar, passo a passo, e produzir
algum resultado.
O hardware sozinho não funciona sem instruções (software) sobre o que e
quando fazer.
2 – História dos Computadores:
2.1 – Computadores Mecânicos (Geração 0)
Máquina de Pascal (1642)
Blaise Pascal construiu um contador mecânico que realizava operações
aritméticas de soma e subtração através de rodas e engrenagens dentadas.
A máquina baseava-se na existência de um disco para cada potência de 10,
sendo que cada um destes era dotado de 10 dígitos (de 0 a 9).
Embora fosse capaz de realizar apenas adições e subtrações, outras
operações, como multiplicações e divisões podiam ser realizadas através da
combinação das primeiras.
O calculador de Pascal apresentou duas significativas inovações tecnológicas
para sua época:
– permitia o uso de "vai 1", passado automaticamente para a parcela
seguinte;
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– utilizava o conceito de complemento para realizar operações aritméticas de
subtração através de soma de complemento (este conceito é até hoje
essencialmente a base de funcionamento dos circuitos de operação
aritmética em ponto fixo dos computadores).
Máquinas de Babbage (século XIX)
Charles Babbage, matemático e engenheiro britânico, projetou dois tipos de
máquina:
– A máquina de diferenças, dispositivo mecânico que só realizava adições e
subtrações (como a máquina de Pascal) e cujos cálculos se baseavam no
processo de diferenças finitas, pelo qual é possível calcular fórmulas (até
com polinômios e funções trigonométricas) utilizando apenas a operação
de adição.
– A máquina analítica, capaz de armazenar 1.000 números de 20 algarismos
e que possuía um programa que podia modificar o funcionamento da
máquina, fazendo-a realizar diferentes cálculos. Mesmos componentes que
um
computador
atual:
memória
(rodas
dentadas
de
contagem),
processador (quatro operações aritméticas), “unidade de controle”
(sistema de cartões perfurados para realizar uma certa operação), saída
(impressora ou um perfurador de cartões).
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Máquina de Hollerith (1880)
Para resolver o problema da computação de dados do censo dos Estados
Unidos, o estatístico Herman Hollerith teve a idéia de processar dados a partir de
cartões perfurados.
O tempo de processamento dos dados do censo baixou de 8 (oito) para 3
(três) anos.
A tecnologia de cartões perfurados foi adotada rapidamente por diversos
países da Europa, difundindo a utilização das máquinas Hollerith em nível mundial e
por longo tempo.
Hollerith fundou uma companhia, a Tabulating Machine Company que passaria
a fazer parte da IBM.
Cartão de Hollerith
2.2 – Computadores Eletrônicos
2.2.1 – Primeira Geração (1945-1955) – Válvulas
O primeiro computador eletrônico e digital, construído no mundo para
emprego geral, isto é, com programa de instruções que podiam alterar o tipo de
cálculo a ser realizado com os dados, foi denominado ENIAC (Electronic Numerical
Integrator And Computer) e foi projetado de 1943 a 1946, tendo funcionado daí em
diante até 1955, quando foi desmontado.
O ENIAC era uma máquina gigantesca, contendo mais de 18.000 válvulas,
10.000 capacitores, 70.000 resistores e 800 quilômetros de cabos. Pesava cerca de
30 toneladas e consumia uma enorme quantidade de eletricidade, além do consumo
de válvulas, que queimavam com grande freqüência devido ao calor.
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O ENIAC era extremamente rápido para sua época, realizando cerca de 5.000
operações por segundo. Possuía 20 registradores, cada um deles podendo armazenar
um valor numérico de 10 dígitos. Era uma máquina decimal (não binária) e, por isso,
cada dígito era representado por um anel de 10 válvulas, uma das quais estava
ligada em cada instante, indicando o algarismo desejado.
Válvula
ENIAC
Em 1946, von Neumann e vários outros cientistas em Princeton iniciaram a
construção de uma nova máquina, um computador eletrônico de programa
armazenado, o IAS.
Características básicas do IAS:
– quatro unidades principais: memória, UCP, UC e E/S;
– memória com 1.000 posições (palavras), cada uma podendo armazenar
um valor com 40 bits;
– Dados (valores numéricos) e instruções representados da mesma forma
binária e armazenados na mesma memória;
– 21 instruções de 20 bits cada uma, constituídas de 2 campos, um com 8
bits (código de operação) e o outro com 12 bits (endereço), para localizar
cada uma das 1.000 palavras, endereçadas de 000 a 999 (embora pudesse
endereçar 4096 (212 = 4K) posições de memória, pois o IAS somente
possuía 1.000 endereços.
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Von Neumann e o IAS
Arquitetura original da máquina de von Neumann:
2.2.2 – Segunda Geração (1955-1965) – Transistores
A Digital Equipment Corporation (DEC) lança a linha PDP.
A Control Data Corporation (CDC) lança, em 1964, o CDC-6000, voltado
primariamente para o processamento científico.
Unidades aritméticas e lógicas e de controle mais complexas.
Linguagens de programação de nível superior ao das linguagens Assembly da
época (na realidade, o FORTRAN para o IBM 704, em 1957, era ainda de primeira
geração).
IBM 7090, de 3 milhões de dólares, utilizado em aplicações inovadoras (defesa
anti-mísseis, da Força Aérea Americana, sistema de reservas de passagens aéreas).
No início dos anos 60, a IBM passa a produzir a linha IBM 7040, menos
poderosos que seus predecessores, mas de custo bastante inferior.
Na Digital, surge o PDP 8, com arquitetura de 18 bits e com o primeiro
sistema operacional de time-sharing do mundo.
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Tinha memória de 4 K e interface para teleimpressora, leitora de papel
perfurado e leitora de cartões perfurados.
Transistor
CDC-6000
2.2.3 – Terceira Geração (1965) – Circuitos Integrados
•
LSI (Large Scale Integration):
o dezenas de transistores colocados em uma única pastilha;
o computadores menores, mais rápidos e mais baratos.
•
Surgimento da técnica de multiprogramação (execução simultânea de
vários programas);
•
Elevada capacidade de processamento;
•
A IBM inventa o disco rígido e o disco flexível.
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2.2.4 – Quarta geração (1980)
•
VLSI (Very Large Scale Integration)
o Milhões de transistores armazenados em uma única pastilha;
o Computadores cada vez menores e mais rápidos;
o A miniaturização de componentes eletrônicos levou ao surgimento dos
computadores pessoais, criando um novo surgimento no mercado;
o Intel 4004 (1971): o primeiro microprocessador;
o Intel 8080 (1974): microprocessador com um clock de 2MHz, memória
RAM de 256 Kbytes.
•
Surgimento dos computadores pessoais:
o Série Intel de “chips” - tornou-se padrão: Exs: 8086, 8088, 80286,
80386, 80486, Pentium.
o
IBM PC adotou o chip Intel para CPU. Primeiro sucesso comercial da
computação pessoal. “Baixo custo” (US$ 5.000,00) e fácil utilização
(teclado, monitor de vídeo de fósforo verde e Sistema Operacional MSDOS).
IBM PC
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2.2.5 – Quinta geração (1990 – ... )
•
ULSI (Ultra Large Scale Integration)
o Componentes cada vez menores de mais baixo custo, o que permitiu a
evolução de aplicações computacionais mais complexas.
•
Evolução das aplicações:
o Sistemas
especialistas,
sistemas
multimídia,
banco
de
dados
distribuídos, inteligência artificial, redes neurais, etc.
o Necessidade de maior capacidade de processamento e armazenamento
de dados.
•
Aplicações:
o Caixas eletrônicos;
o Computadores em automóveis;
o Laptops;
o Projeto genoma (é o nome de um trabalho conjunto realizado por diversos países visando
desvendar o código genético de um organismo – podendo ser animal, vegetal, de fungos,
bactérias ou de um vírus – através do seu mapeamento);
o World Wide Web;
o Computação distribuída em escala mundial (é
uma referência à computação
paralela e descentralizada, realizada por dois ou mais computadores conectados através de
uma rede, cujo objetivo é concluir uma tarefa em comum).
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