» I THINK THERE IS A WORLD MARKET FOR MAYBE 5 COMPUTERS « Thomas Watson, Chairman of IBM, 1943 TC – DEI, 2005/2006

Tecnologia dos Computadores 2005/2006 Paulo Marques pmarques@dei.uc.pt http://www.dei.uc.pt/~pmarques

Alguma informação útil… Professor: Paulo Marques Gabinete D-2.5 pmarques@dei.uc.pt Toda a informação da cadeira irá está na respectiva página (aceder por http://www.dei.uc.pt) É essencial assinar a lista de discussão da cadeira: Enviar um mail para majordomo@dei.uc.pt com: subscribe tcomp login_aluno@student.dei.uc.pt TC – DEI, 2005/2006

TECNOLOGIA DA INFORMÁTICA Motivação CORPO DA INFORMÁTICA MODERNA … Programação e Algoritmos Matemática Teoria da Computação Sistemas Operativos Arquitectura de Computadores Redes Dados Inteligência Artificial Bases de Engenharia de Software Multimédia Simulação Distribuídos CORPO DA INFORMÁTICA MODERNA TECNOLOGIA DA INFORMÁTICA TC – DEI, 2005/2006

Tecnologia dos Computadores Objectivos Introduzir os principais conceitos subjacentes às diversas áreas da informática moderna Permitir obter uma noção global de como as diversas disciplinas se organizam e interrelacionam Introduzir os principais módulos de um computador moderno Fornecer os conceitos básicos de electrónica digital utilizados no desenho de computadores Essencial para as cadeiras de arquitectura de computadores que se seguem! TC – DEI, 2005/2006

Programa Modelo de von Neumann Sistemas de numeração Introdução aos sistemas digitais Representação de dados Sistemas Operativos Redes de Dados Paradigmas das Linguagens de Programação Ficheiros & Bases-de-Dados Inteligência Artificial TC – DEI, 2005/2006

Corpo da Informática Comunicação Aplicação Sistema Operativo Programação Hardware Information TC – DEI, 2005/2006

Gödel Alan Turing Donald Knuth von Neumann Fred Brooks Dennis Ritchie Ken Thompson Alan Kay John Backus Charles Babbage Seymour Cray Edsger Dijkstra Leslie Lamport Ada Lovelace TC – DEI, 2005/2006

Bibliografia Livro principal das teóricas [CSO]: Computer Science, An Overview 7th Edition, J. Glenn Brookshear ISBN 0-201-78130-1, Addison-Wesley Livro auxiliar das teóricas [CSI]: Computer Science Illuminated Nell Dale & John Lewis ISBN 0-7637-1760-6, Jones and Bartlett Pub. TC – DEI, 2005/2006

Funcionamento da disciplina Parte teórica Introdução aos diversos conceitos da informática, de forma abrangente Parte prática Componente laboratorial sobre Sistemas Digitais Fichas de trabalho publicadas todas as semanas ou de duas em duas semanas Cada ficha publicada uma semana antes da data da realização do trabalho É responsabilidade dos alunos ler e preparar os trabalhos antes da aula em questão TC – DEI, 2005/2006

Avaliação Exame/Exame de Recurso: Avaliação contínua na parte prática 15 valores (mínimo = 5 valores) Com consulta A nota não é assegurada para o exame de recurso Não é permitido o uso de calculadoras / portáteis Avaliação contínua na parte prática Total = 5 valores (mínimos = 2 valores) 3 valores  trabalhos, avaliados no final da aula 2 valores  TPCs Nota_TPCs = 2*(TPCs_Entregues/#TPCs)*(média normalizada de 2) Trabalho: Grupos de 2 alunos; TPCs: individuais TC – DEI, 2005/2006

Modelo de von Neumann

Organização de um computador Existem três componentes principais: o CPU, a memória central e os periféricos Todos os componentes comunicam utilizando um (ou mais) BUS CPU Memória Central Periféricos Dados Endereços Controlo BUS TC – DEI, 2005/2006

Arquitectura de von Neumann O computador executa uma sequência de instruções que actuam sobre dados. Tanto as instruções como os dados encontram-se em memória CPU Unidade de Controlo Comandos de Controlo Comandos de Controlo ALU (Unidade Aritmética e Lógica) Dados Dados Dispositivos de Entrada/Saída Memória Dados TC – DEI, 2005/2006

Fetch-Decode-Execute Toda a arquitectura de von Neumann é baseada no ciclo “fetch-decode-execute” Em cada ciclo de relógio: Vai-se buscar uma instrução à memória, de acordo com o valor do Program Counter (PC), colocando-se a mesma no Instruction Register (IR) Descodifica-se a instrução, verificando-se o que é que esta deverá fazer Executa-se a instrução propriamente dita (em IR) A B C Data Instructions TC – DEI, 2005/2006

Modelo simples de um processador O processador contém a Unidade Aritmética e Lógica (ALU), e a Unidade de Controlo Existem dois registos especiais: IR (contém a instrução a executar) e PC (o contador de programa). Existem também registos de âmbito geral e registos especiais 00 01 IR: Instruction Register 02 PC: Program Counter BUS 03 04 05 06 R0: General Register 0 07 R1: General Register 0 08 09 … 10 11 12 ALU Unidade Controlo 13 … Processador Memória TC – DEI, 2005/2006

Como é que se adicionam dois números? z = x + y; [1000] [1004] [1008] Passo 1: Carregar o primeiro número de memória para um registo: MOV R1, [1000] Passo 2: Carregar o segundo número de memória para outro registo: MOV R2, [1004] Passo 3: Adicionar os números nos registos, colocando o resultado noutro registo: ADD R3,R1,R2 Passo 4: Colocar o resultado de novo em memória: MOV [1008],R3 TC – DEI, 2005/2006

O que é uma instrução exactamente? ADD R3,R1,R2 IR: 1 1 1 1 1 1 1 opcode (ADD) param1 (R3) param2 (R1) param3 (R2) 13 3 1 2 opcode (ADD) param1 (R3) param2 (R1) param3 (R2) IR: TC – DEI, 2005/2006

John von Neumann (1903-1957) Matemático brilhante, “inventor” do conceito de stored-program e pai do computador moderno Na verdade, sabe-se que uma boa parte do trabalho foi feito pela equipa de JP Eckert (ENIAC), simplesmente von Neumann não colocou o nome dos outros autores no artigo original Desenhou a máquina IAS que se tornou o protótipo de virtualmente todos os computadores que se seguiram! Foi um dos homens a quem foi encarregue a construção da bomba atómica em Los Alamos Para saber mais: http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Von_Neumann.html http://ei.cs.vt.edu/~history/VonNeumann.html TC – DEI, 2005/2006

A importância do BUS Front-side BUS TC – DEI, 2005/2006

North & South bridges TC – DEI, 2005/2006

Memória de Massa (Disco) Hierarquia de memória Princípio da localidade espacial: Se eu acedi a estes dados, é provável que aceda aos dados que estão próximos (e.g. uma imagem) Princípio da localidade temporal: Se eu acedi à pouco tempo a estes dados, é provável que lhes vá aceder dentro de pouco tempo Velocidade Preço Registos ~128x 32bits Cache ~512Kbyte Memória Central (RAM) ~512Mbyte Memória de Massa (Disco) ~60Gbyte Tamanho TC – DEI, 2005/2006

Principais tipos de memórias num PC ROM: Read-Only Memory Memória apenas de leitura, programada de fábrica. Os dados não desaparecem quando é desligada da corrente. Tipicamente utilizada para implementar a BIOS (Basic Input Output System) nos computadores. Hoje em dia, é tipicamente utilizada EEPROM – Electrical Erasable ROM RAM: Random Access Memory Memória de leitura e escrita, de acesso aleatório É volátil: os dados desaparecem quando se desliga da corrente Tipicamente utilizada para implementar a memória central dos computadores. Existem muitas tecnologias: DDR, SDRAM, EDO... Massa Memória não volátil, de tecnologia mecânico-magnética Utilizada para armazenamento de grandes quantidades de dados TC – DEI, 2005/2006

O “cérebro” – O CPU (1) Pentium 4 die, 42 milhões de transistores! Pentium 4 waffer TC – DEI, 2005/2006

TC – DEI, 2005/2006

Lei de Moore Apenas quatro anos após o circuito integrado ter sido inventado, Moore disse que: “O número de transístores que a industria irá colocar num circuito integrado duplicará todos os anos.” A lei neste momento diz que são todos os 18 meses! A performance está directamente relacionada com o número de transístores num integrado (mas não só!) Infelizmente, as outras partes dos computadores (nomeadamente os discos), não acompanham esta evolução. Gordon E. Moore, Co-Fundador da Intel em 1968 TC – DEI, 2005/2006

Lei de Moore (2) TC – DEI, 2005/2006

Quiz O primeiro CPU! Intel 4004: 4 bits, 46 instruções 1971 Que processador é este? O primeiro CPU! Intel 4004: 4 bits, 46 instruções 1971 TC – DEI, 2005/2006

Leitura para o próximo mês…  The Computer: An Illustrated History Christian Wurster ISBN 3822812935, TASCHEN, February 2002 Out of Their Minds: The Lives and Discoveries of 15 Great Computer Scientists Dennis Shasha, Cathy Lazere ASIN 0387979921, Copernicus Books, July 1995 TC – DEI, 2005/2006

Uma Visão Sobre um PC Moderno

» COMPUTERS IN THE FUTURE MAY WEIGH NO MORE THAN 1.5 TONS « Popular Mechanics, 1949 TC – DEI, 2005/2006

Um exemplo: Compaq Presario 6640PT Processador Intel® Pentium® 4 – 2,4 GHz Chipset Intel® i845GE 533MHz Velocidade de bus 512 KB de cache de nível 2 Memória 256 MB DDR-SDRAM 333MHz, em dois DIMMs Armazenamento 60 GB Unidade de disco rígido Ultra DMA (5400 rpm) Unidade de DVD-ROM 16x + Gravador de CDs 48x 12x 48x Unidade de disquete de 3,5” - 1,44 MB Video/Audio ATI® Radeon™ 9000 c/ 64 MB de memória Solução integrada de som Comunicação Modem V92 56 kbps Interface de rede 10/100BT Interface IEEE 1394 Acessórios Teclado + Rato PS2 Ecrã plano de 17” Expansibilidade 5 baías de expansão 1 porta AGP 3 PCI (2 PCI livres) 6 portas USB 2.0 (2 frontais) 1 porta paralela 1 porta série  (RS-232) 1 porta IEEE 1394 1 saída TV TC – DEI, 2005/2006

Motherboard (ASUS P4S8X) TC – DEI, 2005/2006

C-Media CMI9739A 6 Channel Audio ASUS P4S8X Default Clock Speed (MHz) 2019.89 North Bridge SiS 648 South Bridge SiS 963 Number of PCI slots 6 Memory type DDR200/266/333 Number of memory slots 3 Maximum Memory (GB) AGP Pro Support Yes Number of Physical USB 1.1 ports Number of Physical USB 2.0 ports Southbridge UDMA 133 Support On-board Sound C-Media CMI9739A 6 Channel Audio On-board LAN Realtek RTL8201BL TC – DEI, 2005/2006

Motherboard 101 – Periféricos Ligação a periféricos Rato e Teclado Som Portas USB Rede FastEthernet Porta Série Porta Firewire Porta Paralela TC – DEI, 2005/2006

Motherboard 101 – CPU CPU & Alimentação Heat sinks Pentium 4 Fan TC – DEI, 2005/2006

Motherboard 101 – Alimentação Conector de Alimentação Conector de Alimentação da Motherboard Conector de Alimentação de Dispositivos TC – DEI, 2005/2006

Receptáculo dos módulos de memória Motherboard 101 – Memória Receptáculo dos módulos de memória Módulos de memória DDR TC – DEI, 2005/2006

Motherboard 101 – Discos & CD-ROMS Os PCs actuais trazem dois controladores de disco, um primário e um secundário. Cada um pode controlar dois discos: um master e um slave. Cabo de disco IDE Selecção Master/Slave Disco IDE TC – DEI, 2005/2006

Motherboard 101 – Placa Gráfica Slot AGP para a placa gráfica Placa Gráfica TC – DEI, 2005/2006

Motherboard 101 – Slots PCI Slot de expansão Placa de Rede PCI TC – DEI, 2005/2006

O Resultado é… Um PC! TC – DEI, 2005/2006

Quiz: Que coisa é esta?? Currently the fastest machine on the face of the Earth The Earth Simulator is a project to develop a 40 TFLOPS system for climate modeling. Currently it performs at 35.86 TFLOPS. The ES is based on: - 5,120 (640 8-way nodes) 500 MHz NEC CPUs - 8 GFLOPS per CPU (41 TFLOPS total) - 2 GB RAM per CPU (10 TB total) - Shared memory inside the node - 640 × 640 crossbar switch between the nodes - 16 GB/s inter-node bandwidth TC – DEI, 2005/2006

Para saber mais... [CSO] Computer Science – An Overview Capítulo 0 Capítulo 2 (2.1, 2.2, 2.3, 2.5) How Stuff Works (http://computer.howstuffworks.com): How PCs Work How Microprocessors Work How Motherboards Work How Computer Memory Works Informação Extra: Arstechnica, The PC Enthusiast’s Resource: http://www.arstechnica.com/ TC – DEI, 2005/2006