Histórico e Evolução dos Computadores Alcides Calsavara

Referência Bibliográfica Structured Computer Organization, Fourth Edition. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, 1999. ISBN 0-13-095990-1. History of Computing Information: http://ftp.arl.army.mil/~mike/comphist/

Linguagens, Níveis e Máquinas Virtuais Linguagem: conjunto de instruções utilizadas para se construir programas Linguagem de Máquina: linguagem (L0) do computador real Linguagem Abstrata: linguagem (L1) mais adequada para pessoas Tradução: substituição de cada instrução de um programa em L1 por uma seqüência equivalente de instruções em L0, obtendo um novo programa em L0 que pode ser executado no computador real Interpretação: execução de um programa em L1 por outro programa (interpretador) em L0; o programa em L1 é input para o interpretador, que examina cada instrução em L1 e executa uma seqüência equivalente de instruções em L0 Máquina Virtual: máquina (M1) hipotética, cuja linguagem de máquina é a linguagem L1 Nível ou Camada: uma máquina (computador real ou virtual) e a correspondente linguagem, sobre a qual uma nova camada pode ser acrescentada

Máquina Multinível (Multicamada) Programa em Ln pode ser interpretado por um interpretador executando em uma máquina mais abaixo, ou traduzido para a linguagem de máquina de uma máquina mais abaixo Máquina virtual Mn, com linguagem de máquina Ln Programa em L2 pode ser interpretado por interpretadores executando em M1 ou em M0, ou traduzido para L1 ou L0 Máquina virtual M2, com linguagem de máquina L2 Programa em L1 pode ser interpretado por um interpretador executando em M0, ou traduzido para L0 Máquina virtual M1, com linguagem de máquina L1 Programa em L0 é diretamente executado por circuitos eletrônicos Computador real M0, com linguagem de máquina L0

Máquina Multinível Contemporânea (BASIC, C, C++, Java, LISP, Prolog, ...) Nível 5 Nível de Linguagem Orientada a Problemas Tradução (compilador) (mnemônicos para as Instruções de máquina) Nível 4 Nível de Linguagem de Montagem (Assembly) Tradução (montador ou assembler) (instruções para permitir concorrência e uma organização diferente da memória) Nível 3 Nível de Máquina de Sistema Operacional Interpretação parcial (sistema operacional) Nível 2 Nível de Arquitetura de Conjunto de Instruções (instruções de máquina) Interpretação (microprograma) ou execução direta Nível 1 Nível de Microarquitetura (registradores e o circuito ALU – Arithmetic Logic Unit) Hardware Nível 0 Nível de Lógica Digital (gates – constituídos de transistores – e registradores – que compõem a memória)

Invenção da Microprogramação Os primeiros computadores (anos 40) possuíam somente dois níveis: Nível de Arquitetura de Conjunto de Instruções e o Nível de Lógica Digital, que era complicado, difícil de entender e construir, e de baixa confiabilidade. Em 1951, Maurice Wilkes (University of Cambridge) sugeriu a introdução de um nível intermediário para simplificar o hardware: um interpretador (microprograma) imutável para executar as instruções especificadas no nível acima.

Invenção do Sistema Operacional Por volta de 1960, foi criado um programa – sistema operacional – que ficaria constantemente em execução no computador com a função de automatizar o trabalho do operador do computador: iniciar um novo job, carregar o compilador de FORTRAN, carregar o programa a ser compilado, executar o programa resultante da compilação, entrar os dados para o programa, imprimir os resultados do programa, ... Batch system: execução seqüencial de jobs (um único “usuário” por vez no computador) Timesharing system: terminais remotos conectados ao computador central através de linhas de telefone (CPU compartilhada entre muitos usuários)

Gerações de Computadores Computadores Mecânicos (1642-1945) Computadores com Tubos a Vácuo ou Válvulas Eletrônicas (1945-1955) Computadores com Transistores (1955-1965) Computadores com Circuitos Integrados (1965-1980) Computadores com Integração em Escala Muito Grande - VLSI (1980-?)

Geração Pioneira (1642-1945): Computadores Mecânicos Blaise Pascal (1623-1662, França) construiu em 1642 a primeira máquina de calcular, baseada em engrenagens e alavancas, e que permitia fazer adições e subtrações. Baron Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716, Alemanha) construiu outra máquina no mesmo estilo, e que permitia também fazer multiplicações e divisões.

Geração Pioneira (1642-1945): Computadores Mecânicos Charles Babbage (1792-1871, Inglaterra) construiu na Universidade de Cambridge duas máquinas: Difference Engine: executava sempre o mesmo algoritmo (tratava tabelas de números para fins de navegação naval, aplicando o método de diferenças finitas usando polinômios); a saída era gravada em pratos de cobre e aço. Analytical Engine: Quatro componentes: store (memória), mill (unidade de computação), input section (leitora de cartões perfurados) e output section (saída impressa e com perfuração); A unidade de computação lia números da memória, fazia cálculos (adição, subtração, multiplicação e divisão) e podia retornar o resultado para a memória. Máquina de propósito geral: lia instruções (de tratamento aritmético e de desvio condicional) através de cartões perfurados e as executava. Primeira pessoa a escrever programas: Ada Augusta Lovelace

Geração Pioneira (1642-1945): Computadores Mecânicos Konrad Zuse (Alemanha) construiu durante a década de 1930 uma série de máquinas de calcular baseadas em relays eletromagnéticos, mas a Segunda Guerra Mundial impediu o seu avanço e ainda causou a sua destruição. John Atanasoff (Estados Unidos da América, Iowa State University) e George Stibbitz (Estados Unidos da América, Bell Labs) construíram no final da década de 1930 calculadoras que já usavam aritmética binária e possuíam memória baseada em capacitores. Howard Aiken (Estados Unidos da América, Harvard University) construiu em 1944 uma máquina de propósito geral chamada Mark I, baseada no trabalho de Babbage, mas que usava relays eletromagnéticos no lugar de engrenagens.

Primeira Geração (1945-1955): Computadores com Tubos a Vácuo Governo Britânico construiu em 1943 o primeiro computador digital eletrônico, o COLOSSUS, para fins de decodificar as mensagens trocadas pelos alemães durante a Segunda Guerra Mundial, que eram criptografadas por uma máquina chamada ENIGMA. O projeto foi mantido em segredo por 30 anos, por isso, não houve evolução. Alan Turing participou do projeto. John Mauchley e J. Presper Eckert (Estados Unidos da América) construíram em 1946 para fins militares um computador eletrônico chamado ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): 18.000 tubos a vácuo 1.500 relays 30 toneladas 140 kilowats 20 registradores de números decimais de 10 dígitos Programação feita através de 6.000 switches e de milhares de jumpers (cabos de conexão) John von Neumann participou do projeto.

Primeira Geração (1945-1955): Computadores com Tubos a Vácuo Vários computadores surgiram na seqüência: JOHNIAC: Rand Corporation ILLIAC: Universidade de Illinois MANIAC: Laboratório de Los Alamos WEIZAC: Instituto Weizmann, Israel EDSAC (1949): Universidade de Cambridge; foi o primeiro a armazenar programas em memória.

Primeira Geração (1945-1955): Computadores com Tubos a Vácuo John von Neumann (Estados Unidos da América, Instituto de Estudos Avançados de Princeton) construiu em 1952 o computador IAS: Programas e dados representados de forma digital em memória Processamento baseado em aritmética binária, ao invés de decimal

Máquina de von Neumann Memória Unidade de Controle Unidade Aritmética Lógica Input Acumulador Output Memória: 4096 palavras de 40 bits (2 instruções de 20 bits ou um inteiro) Instrução: 8 bits para indicar o tipo, 12 tipos para endereçar a memória Acumulador: registrador especial de 40 bits

Primeira Geração (1945-1955): Computadores com Tubos a Vácuo IBM começou a construir computadores: 1953: IBM 701 2048 palavras de 36 bits Duas instruções por palavra Máquina para aplicações científicas (numéricas) 1956: IBM 704 4K de memória Instruções de 36 bits Hardware para floating-point (números reais) 1958: IBM 709

Segunda Geração (1955-1965): Computadores com Transistores Invenção do transistor 1948, Bell Labs, EUA John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley TX-0 (Transistorized eXperimental computer 0) M.I.T., Lincoln Laboratory Primeiro computador com transistor PDP-1 1961, DEC (Digital Equipment Corporation) Primeiro computador comercializado Kenneth Olsen (participante do projeto do TX-2) fundou a DEC em 1957. Memória: 4K palavras de 18 bits Ciclo: 5 microsegundos Primeiro computador com display visual: tela de 512x512 pontos Preço: US$120,000 Unidades vendidas: algumas dezenas Nascimento da indústria de minicomputadores

Segunda Geração (1955-1965): Computadores com Transistores PDP-8 DEC, 1965 Preço: US$16,000 Unidades vendidas: 50.000 Máquina de 12 bits Barramento único: omnibus (FIGURA) 7090 IBM (Industry of Business Machine) Versão transistorizada do IBM 709 7094 1962, IBM Memória: 32K palavras de 36 bits Ciclo: 2 microsegundos 1401 1961, IBM Memória: 4K bytes Máquina orientada a negócios: Fitas magnéticas (leitura e escrita) Cartões (leitura e perfuração) Impressão relativamente rápida e barata

Barramento único do PDP-8 - omnibus - console terminal paper tape I/O CPU memory other I/O Omnibus

Segunda Geração (1955-1965): Computadores com Transistores 6600 1964, CDC (Control Data Corporation) Projetista: Seymour Cray Alto grau de paralelismo dentro da CPU: Várias unidades para adição, multiplicação e divisão trabalhando simultaneamente Muito mais rápido que o 7094 ! Pequenos computadores auxiliares para tratamento de entrada e saída Sucessores: 7600, Cray-1 B5000 Burroughs Projeto orientado para a execução de programas em Algol-60, linguagem precursora do Pascal Maior prioridade para o software Menor prioridade para velocidade de processamento e preço

Terceira Geração (1965-1980): Computadores com Circuitos Integrados Invenção do circuito integrado de silício 1958, Robert Noyce Dezenas de transistores em um único chip Possibilitou construir computadores menores, mais rápidos e mais baratos

Terceira Geração (1965-1980): Computadores com Circuitos Integrados System/360 IBM, 1965 Família de computadores, com diferentes capacidades de processamento e armazenamento: modelos 30, 40, 50 e 65 (tabela) Visava substituir o 1401 (comercial) e o 7094 (científico) ao mesmo tempo Permitia multiprogramação: vários programas em memória em execução simultânea (quando um aguardava uma operação de entrada ou saída se completar, outro podia executar) Emulava outros computadores (1401, 7094), devido à sua capacidade de microprogramação Endereçamento máximo: 16 megabytes (24 bits) PDP-11 DEC, 1970 Sucessor de 16 bits do PDP-8 Grande sucesso, especialmente nas universidades

Família IBM System/360 Propriedade Modelo 30 Modelo 40 Modelo 50 Desempenho relativo 1 3,5 10 21 Ciclo (nsec) 1000 625 500 250 Memória (KB) 64 256 512 Bytes lidos por ciclo 2 4 16 Canais para dados 3 6

Quarta Geração (1980-?): Computadores com Integração em Escala Muito Grande – Very Large Scale Integration (VLSI) Década de 80: grande compactação dos circuitos integrados Dezenas de milhares, depois centenas de milhares e finalmente milhões de transistores em um chip Desempenho aumentou muito Preços caíram muito Computadores deixaram de ser privilégio de grandes corporações Início da era do computador pessoal

Primeiros computadores pessoais Vendidos em kits para o próprio consumidor montar Placa de circuito impresso Conjunto de chips (tipicamente Intel 8080) Alguns cabos Fonte de alimentação Floppy disk de 8 polegadas Software não era fornecido: o consumidor tinha que escrever seu próprio software Sistema operacional CP/M Gary Kildall Processadores Intel 8080 Floppy disk operating system Sistema de arquivos Comandos por teclado Apple, Apple II Steve Jobs e Steve Wozniak Muito popular para uso doméstico e em escolas

Primeiros computadores pessoais IBM Personal Computer IBM, 1981 Intel 8088 Projeto de circuitos público: Objetivo: permitir que outros fabricassem componentes facilmente acopláveis ao PC (plug-in boards) Conseqüência: indústria de clones Sistema operacional: Inicialmente, MS-DOS (criação da Microsoft) Mais tarde, com CPUs mais poderosas, OS/2, que possui interface gráfica semelhante ao Apple Macintosh Mais tarde ainda, MS-Windows

Lei de Moore Gordon Moore, 1965, Intel Número de transistores em um chip dobra a cada 18 meses. Figura 1.8, página 25 Círculo Virtuoso: Avanço tecnológico propicia melhores produtos a preços mais baixos. Preços mais baixos induz ao surgimento de novas aplicações (exemplo, video games) Novas aplicações aumentam as possibilidades de mercado e fazem surgir novas empresas. Novas empresas leva a competição, criando demanda econômica para o avanço tecnológico.

Lei de Nathan Nathan Myhrvold, Microsoft “Software é como gás: expande até preencher todo o container.” Exemplo: editores de texto Troff (década de 80) ocupava alguns milhares de kilobytes de memória Editores atuais ocupam dezenas de megabytes

Categorias de computadores Tipo Preço ($) Exemplos de aplicação Descartável 1 Cartões de mensagens Embutido 10 Relógios, carros, equipamentos Game 100 Vídeo games Computadores pessoais 1K Desktops e portáteis Servidores 10K Servidores de rede Coleção de workstations 100K Minisupercomputador departamental Mainframe 1M Processamento batch em bancos Supercomputador 10M Previsão de tempo, prospecção de petróleo

Intel 1968: Fundação Tabela de processadores (próximo slide) Robert Noyce ( inventor do circuito integrado de silício ) Gordon Moore ( Moore’s law ) Arthur Rock ( investidor ) Tabela de processadores (próximo slide) Figura 1-11, página 32

Intel Chip Data MHz Transistores Memória Nota 4004 4/1971 0,108 2.300 640 Primeiro microprocessador em um único chip 8008 4/1972 3.500 16 KB Primeiro microprocessador de 8 bits 8080 4/1974 2 6.000 64 KB Primeira CPU de propósito geral em um chip 8086 6/1978 5-10 29.000 1 MB Primeira CPU de 16 bits em um chip 8088 6/1979 5-8 Usado no IBM PC 80286 2/1982 8-12 134.000 16 MB Esquema de proteção de memória 80386 10/1985 16-33 275.000 4 GB Primeira CPU de 32 bits 80486 4/1989 25-100 1,2M Cache interno de 8K Pentium 3/1993 60-233 3,1M 2 pipelines; MMX Pentium Pro 3/1995 150-200 5,5M Cache interno em dois níveis Pentium II 5/1997 233-400 7,5M Pentium Pro com MMX

SUN SUN: Stanford University Network) 1981, Andy Bechtolsheim, alemão, estudante de graduação de Stanford, montou seu próprio computador (SUN-1) para executar Unix, usando CPU Motorola 68020. “workstation”: Ethernet e TCP/IP para conectar a ARPANET (precursora da Internet) 1987: SPARC (Scalable Processor ARChitecture) RISC: Reduced Instruction Set Máquina de 32 bits 1995: UltraSPARC I Máquina de 64 bits Orientada a multimídia VIS: Visual Instruction Set

JVM JVM: Java Virtual Machine SUN Portabilidade: independente de CPU Problema: desempenho CPU específica: picoJava II (somente uma definição) SUN microJava 701 (uma concretização do picoJava II)