Arquitetura e Organização de Computadores

Apresentação em tema: "Arquitetura e Organização de Computadores"— Transcrição da apresentação:

1 Arquitetura e Organização de Computadores
Professor: Erivelto Tschoeke Udesc/Ceplan Arquitetura e Organização de Computadores

2 Era uma vez... "As invenções já há muito alcançaram seu limite - e eu não vislumbro qualquer esperança de futuros desenvolvimentos." - Julius Frontinus, eminente engenheiro romano (Roma, ano 10 DC).

3 evolução da Tecnologia
ÁBACO: O ÁBACO é um calculador decimal operado manualmente. Costuma-se considerar o ábaco como o primeiro dispositivo criado para facilitar o trabalho do homem em processar informações. O ábaco foi inventado no oriente médio há milhares de anos e ainda hoje é muito utilizado no oriente. Por exemplo, ainda hoje no Japão é comum encontrar comerciantes que continuam preferindo fazer contas utilizando ábacos - e as fazem muito mais rápido que uma moderna calculadora eletrônica (que por sinal custa hoje muito mais barato que um ábaco).

4 Ábaco

5 CALCULADORA MECÂNICA

6 Tear programável Em 1801, Joseph Marie Jacquard inventou um tear mecânico dotado de uma leitora de cartões perfurados. Estes furos, representavam os desenhos do tecido - portanto um processador das informações relativas à padronagem do tecido; O tear funcionava tão bem que este é o primeiro exemplo prático de desemprego provocado pela automação!

7 CALCULADOR ANALÍTICO Charles Babbage ( ) concebeu um Computador Analítico dotado de um dispositivo a que chamou de MOINHO (uma máquina de somar com precisão de até 50 casas decimais). Um dispositivo de entrada (inspirado no tear de Jacquard) que leria cartões perfurados contendo não somente números (os dados) mas também INSTRUÇÕES (o que fazer com os dados). Babbage imaginou ainda um dispositivo de memória que chamou de ARMAZÉM para guardar os números, um banco com 1000 "registradores" cada qual capaz de armazenar um número de 50 dígitos - os números dados pelos cartões de entrada ou então números resultados de operações do moinho. Finalmente, incluiu um dispositivo impressor para dar saída aos resultados. As instruções (gravadas em cartões) possíveis de ser implementadas pelo moinho eram:

8 Calculador analítico Para usar a máquina de Babbage era necessário:
Entrar com um número no armazém; Entrar com um número no moinho ; Mover um número do moinho para o armazém; Mover um número do armazém para o moinho; Comandar o moinho para executar uma operação sair com um resultado;

9 A máquina de calcular de babbage...
Breve histórico: Para construir um dispositivo a partir destas idéias, Babbage contou com a colaboração inestimável da matemática Ada Augusta Byron, Lady Lovelace, filha do poeta Lord Byron. Ada desenvolveu séries de instruções para o calculador analítico, criando conceitos tais como sub-rotinas, loops e saltos condicionais. Babbage é considerado o precursor do computador. Ada é considerada a precursora do software.

10 Pena que.... Babbage e Ada estavam muito além do seu tempo e não conseguiram financiamento para construir o seu Computador Analítico, que ficou apenas como uma belíssima idéia no papel - ele nunca foi concluído. "Ele não tem pretensões de originar nada, mas pode processar qualquer coisa que nós soubermos programá-lo para realizar." Ada Augusta Byron, Condessa de Lovelace, falando sobre o Engenho Analítico de Babbage, precursor dos modernos computadores (Londres, cerca de 1830)

11 hollerith Herman Hollerith ( ) também inspirou-se nos cartões de Jacquard para criar uma máquina para acumular e classificar informações - a Tabuladora de Censo. Aplicação: processamento dos dados do censo.

12 z3 1941- Konrad Zuse (Alemanha) Primeiro computador digital, automático, programável, de propósito geral, completamente funcional (eletro-mecânico).

13 ABC Computer (Atanasoff-Berry Computer)
John V. Atanasoff / Clifford Berry (EUA) Primeiro protótipo de calculador eletrônico que funcionou nos EUA.

14 Colossus... Alan Turing (Bletchley Park, Inglaterra) Primeiro computador eletrônico programável; aplicação: criptografia; quebra de códigos

15 HARVARD MARK I Howard Aiken (Universidade de Harvard - EUA) Primeiro computador eletromecânico automático de grande porte

16 ENIAC - Eletronic Numerical Integrator and Calculator
John Mauchly e J. Presper Eckert (Ballistic Research Lab, University of Pennsylvania, EUA) Primeiro computador eletrônico digital de grande porte; Características: Decimal (operava na base dez, não binário) 19000 válvulas; 175 Kw de potência; 5.000 operacões por segundo - armazenamento para 20 números de 10 dígitos, mas não tinha qualquer tipo de memória central - tempo médio entre falhas (MTBF) de 5,6 horas; Aplicação: cálculo balístico.

17 Tecnologias pertinentes ao eniac
Transistor: Universidade de Stanford (EUA) Inventado o primeiro dispositivo eletrônico de estado sólido.

18 MANCHESTER MARK I F.C.Williams, Tom Kilburn e a Max Neuman Royal Society Computing Machine Laboratory (Universidade de Manchester, Inglaterra); Primeiro protótipo de computador eletrônico de programa armazenado. Executou o primeiro programa com sucesso em 21/06/48)

19 EDSAC - Eletronic Delay Storage Automatic Computer
Maurice Wilkes (Universidade de Cambridge, Inglaterra); Primeiro computador eletrônico digital de programa armazenado de grande porte, totalmente funcional; Executou o primeiro programa com sucesso em 06/05/49.

20 UNIVAC I Mauchly and Eckert Computer Corporation, depois UNIVAC, depois Unisys Primeiro computador eletrônico disponível comercialmente, usava programa armazenado e um compilador. Aplicação: Processamento das eleições.

21 WHIRLWIND I J.Forrester (Massachussets Institute of Technology - MIT, EUA) Primeiro computador para processamento em tempo real.

22 IBM 701 IBM Corporation Primeiro computador eletrônico digital IBM.

23 NCR 304 NCR Corporation Primeiro computador comercial 100% Construído com componentes de estado sólido (transistores).

24 IBM 305 IBM Corporation Primeiro computador comercial a utilizar unidades de disco com cabeças móveis.

25 PDP-1 Digital Equipment Corporation Primeiro mini-computador.

26 COBOL - Common Business Oriented Language
Conference on Data System Languages CODASYL; Primeira linguagem de programação de computadores para aplicação comercial padronizada.

27 IC - CIRCUITO INTEGRADO
Fairchild Corporation Primeiro circuito integrado disponível comercialmente.

28 INTEL 4004 Intel Corporation Primeiro microprocessador disponível comercialmente.

29 MITS 816 MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems) Primeiro microcomputador disponível para uso pessoal.

30 ALTO Xerox PARC (Palo Alto Research Center) Primeiro microcomputador pessoal completo, totalmente funcional, incluindo monitor

31 ALTAIR 8800 Edward Roberts, William Yates e Jim Bybee Primeiro microcomputador pessoal produzido industrialmente para venda em massa.

32 APPLE II Steve Jobs e Steve Wozniak (Apple Corp.) Primeiro microcomputador pessoal a ter sucesso comercial.

33 IBM PC 1981 - IBM Corp (Boca Raton, FL, EUA)
Primeiro microcomputador pessoal IBM; arquitetura aberta; um imenso sucesso comercial.

34 Gerações de computadores
Historicamente, máquina de calcular automatizadas sempre fizeram parte da obsessão do ser humano em inventar dispositivos capazes de melhorar de alguma forma sua vida. Com os computadores não foi diferente, desde sua concepção até os dias atuais, seu projeto inicial foi mudado, mas características todos têm em comum: Vejamos algumas:

35 Gerações de computadores
Um dos fatores que separam as gerações dos computadores é a evolução tecnológica promovida entre uma e outra tecnologia, as datas muitas vezes se confundem no tempo, O que é sempre considerado é o marco tecnológico, uma inovação, essa inovação é que separa as gerações dos computadores.

36 1951/1959 - Computadores de primeira geração:
Computadores Baseados na teoria da Máquina de John Von Neumann; Computadores que processam uma tarefa de cada vez; ENIAC (Primeiro computador construido para o uso científico); Circuitos eletrônicos e válvulas;

37 1951/1959 - Computadores de primeira geração (continuação)
Uso restrito ; Apenas cientistas, matemáticos e físicos estavam aptos á utilizar estes computadores; Inviável para o uso comercial, pois custava algumas centenas de milhões de dólares;

38 1945 /1959 - Computadores de primeira geração (continuação)
Sua fabricação era destinada apenas ao uso cientifico e militar; Precisava ser reprogramado a cada tarefa; Grande consumo de energia; Problemas devido ao aquecimento elevado; Ocupava vários andares de um prédio;

39 Breve Resumo As válvulas foram utilizadas em computadores eletrônicos, como por exemplo no ENIAC, já citado anteriormente. Normalmente quebrava após algumas horas de uso e tinha o processamento bastante lento. Nesta geração os computadores calculavam com uma velocidade de milésimos de segundo e eram programados em linguagem de máquina.

40 1959/1965 - Computadores de segunda geração:
Início do uso comercial Construção do EDVAC (auxiliado por Von Neumann). Tamanho gigantesco Capacidade de processamento muito pequena Uso de transistores em substituição às válvulas

41 Breve Resumo A válvula foi substituída pelo transistor.
Seu tamanho era 100 vezes menor que o da válvula, não precisava de tempo para aquecimento, consumia menos energia, era mais rápido e confiável. Os computadores desta geração já calculavam em microssegundos (milionésimos) e eram programados em linguagem montadora.

42 1965/1975 - Computadores de terceira geração:
Surgem os circuitos integrados; Diminuição do tamanho; Maior capacidade de processamento; Início da utilização dos computadores pessoais.

43 Breve Resumo Os transistores foram substituídos pela tecnologia de circuitos integrados (associação de transistores em pequena placa de silício); Além deles, outros componentes eletrônicos foram miniaturizados e montados num único CHIP; Já calculavam em nanossegundos (bilionésimos).

44 Breve Resumo (Continuação)
Os computadores com o CI (Circuito Integrado) são muito mais confiáveis, bem menores, tornando os equipamentos mais compactos e rápidos, pela proximidade dos circuitos; Possuem baixíssimo consumo de energia e menor custo. Nesta geração surge a linguagem de alto nível, orientada para os procedimentos.

45 1975/19?? - Aparecimento dos aplicativos de quarta geração:
Surgem os softwares integrados; Processadores de Texto; Planilhas Eletrônicas; Gerenciadores de Banco de Dados; Gráficos; Gerenciadores de Comunicação;

46 Breve Resumo Em 1975/77, ocorreram avanços significativos, surgindo os microprocessadores, os microcomputadores e os supercomputadores; Em 1977 houve uma explosão no mercado de microcomputadores, sendo fabricados em escala comercial e a partir daí a evolução foi sendo cada vez maior, até chegar aos micros atuais. O processo de miniaturização continuou e foram denominados por escalas de integração dos circuitos integrados:

47 Breve Resumo (Continuação)
LSI (Large Scale of Integration), VLSI (Very Large Scale of Integration) e ULSI (Ultra Large Scale of Integration), utilizado a partir de 1980. Nesta geração começa a utilização das linguagens de altíssimo nível, orientadas para um problema.

48 198? - 200?? - Quinta geração (dias atuais)
Supercomputadores; Automação de escritórios; Acesso a computadores ilimitado; Automação comercial e industrial;

49 198? - 200?? - Quinta geração (continuação)
CAD; Robótica; Imagem virtual; Multimídia; Era on-line (comunicação através da Internet); ADSL (Assymmetric Digital Subscriber Line ) ou Linha Digital Assimétrica para Assinante.

50 198? - 200?? - Quinta geração (continuação)
Redes Sem Fio; Redes de Altíssima velocidade; Uso da fibra óptica em larga escala; Capacidade de transmissão acima dos 5Gb’s

51 198? - 200?? - Quinta geração (continuação)
O primeiro supercomputador, de fato, surgiu no final de 1975. As aplicações para eles são muito especiais e incluem laboratórios e centro de pesquisa aeroespacial como a NASA; Empresas de altíssima tecnologia, produção de efeitos e imagens computadorizadas de alta qualidade, entre outros. Eles são os mais poderosos, mais rápidos e de maior custo.

52 A arquitetura de um computador segundo John Von Neumann
A arquitetura básica de um computador moderno segue ainda de forma geral os conceitos estabelecidos pelo Professor da Universidade de Princeton, John Von Neumann ( ), um dos construtores do ENIAC e do EDVAC.

53 A arquitetura segundo von neumann
Von Neumann propôs construir computadores que: Codificassem instruções que pudessem ser armazenadas na memória e sugeriu que usassem cadeias de uns e zeros (binário) para codificá-los ; Armazenassem na memória as instruções e todas as informações que fossem necessárias para a execução da tarefa desejada; Ao processarem o programa, as instruções fossem buscadas diretamente na memória. Este é o conceito de PROGRAMA ARMAZENADO.

54 DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM COMPUTADOR
O modelo de Von Neumann:

55 A lógica da construção dos computadores
Toda a lógica dos computadores é construída a partir de chaves liga / desliga ou os circuitos lógicos. Inicialmente foram usados chaves mecânicas, depois relés eletro-mecânicos - o Z-1 construído por Konrad Zuse em 1941 e o MARK 1 de Howard Aiken em 1944 (capazes de executar até 5 chaveamentos por segundo). Posteriormente, foram substituídos pelas válvulas no ENIAC em 1946 (capazes de chaveamentos por segundo), e finalmente pelos transistores (semicondutores) inventados em Stanford em 1947. Os circuitos integrados (ou CI's) são encapsulamentos compactos (LSI - Large Scale Integration e VLSI - Very Large Scale Integration) de circuitos constituídos de minúsculos transistores.

56 Arquitetura de compuatadores segundo willian stallings.
Willian Stallings no seu livre (Arquitetura e Organização de Computadores) define o projeto de um computador dessa maneira :

57 Lembre-se Que a história dos computadores é contada a partir da construção de computadores baseados na teoria de Von Neumann; Computadores como o Colossus, Mark 1 e Z1 foram construídos antes do ENIAC e não seguiam o padrão imposto por Von Neumann. Antes de 1945 TODOS os computadores construídos não seguem o padrão da máquina de Von Neumann.

58 unidade central de processamento - ucp ou cpu
A Unidade Central de Processamento é a responsável pelo processamento e execução de programas armazenados na MP. Principais Funções: Executar instruções - realizar aquilo que a instrução determina. Realizar o controle das operações no computador. a) Unidade Lógica e Aritmética (ULA) - responsável pela realização das operações lógicas (E, OU, etc) e aritméticas (somar, etc). b) Unidade de Controle (UC) - envia sinais de controle para toda a máquina, de forma que todos os circuitos e dispositivos funcionem adequada e sincronizadamente.

59 Memória principal ou mp
A Memória Principal tem por finalidade armazenar toda a informação que é manipulada pelo computador - programas e dados. Para que um programa possa ser manipulado pela máquina, ele primeiro precisa estar armazenado na memória principal. OBS.: os circuitos da Memória Principal não são combinatoriais, eles tem capacidade de armazenar bits. Os circuitos usados são do tipo "flip-flop", conforme veremos em Circuitos Lógicos.

60 Dispositivos de entrada e saída e/s
Tem por finalidade permitir a comunicação entre o usuário e o computador. OBS.: Para executar um programa, bastaria UCP e MP; no entanto, sem os dispositivos de E/S não haveria a comunicação entre o usuário e o computador.

61 E se...... "O problema dos computadores é que eles fazem exatamente aquilo que você os instruiu a fazer e não aquilo que você realmente queria que eles fizessem." Autor : Um programador frustrado.

62 PROCESSAMENTO AUTOMÁTICO DE DADOS
O programas são armazenados na MP e a UCP é capaz de executar um processamento inteiro sem a intervenção do usuário, mesmo que haja vários desvios no programa. PRINCIPAIS PASSOS: armazenar o programa na MP; indicar à UCP onde o programa está armazenado. Estas operações são realizadas pelos SISTEMA S OPERACIONAIS:

63 Como funciona um sistema operacioanal

64 Computador hipotético
Tarefa 1 - Criar um projeto (programa) que simule um programa instruindo um computador a somar 2 números na memória e mostrar o resultado na tela.

65 Por que devemos estudar arquitetura de computadores?
Tarefa 2 - Desenvolva um texto de no mínimo 15 linhas onde você DEVE descrever a importância de se estudar arquitetura e organização de computadores. Todos deverão fazer a leitura dos textos.