História e evolução da arquitetura de computadores

Arquitetura e Organização de Computadores
Prof. Msc. Luiz Felipe
Taubaté – 1 Semestre - 2015
Tópico 01 – Apresentação da Disciplina e Histórico

Plano de Aula
1.  Apresentação do Plano de Ensino.
2.  Apresentação da Disciplina.
3.  Histórico e Evolução dos Computadores:
2 Prof. Msc. Luiz Felipe - FATEC - Taubaté

1 – Apresentação do Plano de Ensino
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}  Disciplina: Arquitetura e Organização de Computadores;
}  Ementa:
}  Bases numéricas e codificação de dados;
}  Introdução à lógica digital;
}  Conceitos Básicos de Arquitetura Computacional: primeira, segunda,
terceira e quarta geração de computadores, processador, canais,
periféricos, Modo de Endereçamento, Tipo de Dados, Conjunto de
Instruções, interrupções;
}  Sistemas paralelos;
}  Sistemas Operacionais: conceitos e funções;
}  Linguagens e ferramentas;
}  Organização de arquivos;
}  Bancos de Dados: Conceitos e tipos de organização;
}  Teleprocessamento e Redes: Conceitos;
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}  Bibliografia:
}  TANENBAUM,A. S. Organização Estruturada de Computadores, 5ª
Ed. Prentice Hall, 2007.
}  STALLINGS,W.Arquitetura e Organização de Computadores. 5.ed.
Prentice-Hall Brasil, 2008.
}  TOCCI, R. J. Sistemas Digitais: Princípios e aplicações. 10. ed.
Pearson Brasil, 2007.
}  IDOETA, I.V., CAPUANO, F. G. Elementos de Eletrônica Digital. 41.ed.
Érica, 2012.

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}  Aulas:
}  4 aulas, havendo janela de 1 aula (ingles) depois do intervalo;
}  18:45 as 20:25
}  20:35 as 21:25 (Inglês)
}  21:25 as 23:05
}  Representantes de sala;
}  Contato da turma via SIGA;
}  Sistema SIGA;

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}  Forma de avaliação:
}  Duas provas (P1 e P2);
}  Dois trabalhos/exercícios (T1 e T2);
}  Prova Substitutiva;
}  Exame;
}  Composição das notas:
}  N1 = P1 x 0,6 + T1 x 0,4
}  N2 = P2 x 0,6 + T2 x 0,4
}  Média = N1 x 0,4 + N2 x 0,6
}  Exame = (Média + EX) / 2

2 – Apresentação da Disciplina
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}  Arquitetura e Organização de Computadores;
}  Computador digital:
}  Máquina para resolver problemas através de instruções;
}  Conjunto limitado de instruções simples:
}  Somar 2 números;
}  Comparar o valor de um número com 0;
}  Copiar dados de um lugar para outro na memória;
}  Programa:
}  Conjunto de instruções que descrevem a forma de resolver
um problema;

2 – Apresentação da Disciplina
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}  Conjunto limitado de instruções dificulta a criação de
programas mais complexos;
}  Criação de camadas (máquina-linguagem) com máquinas
virtuais e linguagens que são interpretadas ou traduzidas;
}  Abstrações permitem aumentar o nível de complexidade
dos programas;

3 – Histórico e Evolução dos Computadores
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}  Evolução da Arquitetura de Computadores:
}  Geração 0 – Computadores Mecânicos:
}  1642 – Francês Blaise Pascal (com 19 anos): A primeira máquina de
calcular funcional. Apenas realizava somas e subtrações;
}  1672 – Alemão barão Gottfried Wilhelm von Leibniz: Máquina que
fazia as quatro operações básicas;
}  1836 - Inglês Charles Babbage: Máquina diferencial para ser utilizada
na navegação naval. Executava apenas um algoritmo (método das
diferenças finitas usando polinômios). Insatisfeito cria posteriormente
a Máquina Analítica, capaz de executar instruções de cartões
perfurados e executá-las, ou seja, uma máquina de propósito geral e
programável;

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}  (Final da década de 30) – Alemão Konrad Zuse: Máquinas de
calcular com relés eletromagnéticos. Não conhecia o trabalho
de Babbage e seu projeto não foi financiado pelo governo
alemão pois demoraria mais do que se acreditava que duraria a
guerra;
}  (Década de 50) – Norte Americanos John Anasoff e George
Stibbitz criaram máquinas de calcular;
}  1944 – Norte Americano Howard Aiken: Implementou a
máquina de Babbage utilizando relés, que demorava 6 segundos
para realizar um cálculo;

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}  A Primeira Geração - Computadores aVálvula:
}  2ª Guerra Mundial. Aliados precisavam decifrar rapidamente
mensagens trocadas pelos alemães;
}  Governo britânico cria laboratório secreto onde Alan Turing
participa da construção do Colossus, finalizada em 1943;
}  Colossus é considerado o primeiro computador eletrônico
digital do mundo;
}  Nos EUA uma empresa de armamentos precisava realizar
cálculos mais rapidamente, pois eram feitos por centenas de
funcionários com calculadoras de mão;
}  Esforço originou o ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and
Computer), construído por John Mauchley e John Presper;

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}  ENIAC:
}  18.000 válvulas / 1.500 relés;
}  30 toneladas;
}  140 kW;
}  ~150 m²;
}  5.000 somas por segundo;
}  Computador decimal (ao invés de binário);
}  20 registradores de 10 dígitos cada;
}  10 válvulas para cada dígito (apenas uma ligada, indicando o valor do
dígito);
}  Programação manual, através de 6.000 chaves e diversos soquetes e
cabos;
}  Projeto finalizado apenas em 1946 (após o fim da guerra) e operou
até 1955;
}  É considerado um marco inicial na história do computador moderno;

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}  Depois do sucesso do ENIAC os criadores começaram
um novo projeto, chamado EDVAC, enquanto diversos
outros computadores também forma desenvolvidos:
}  EDSAC / JOHNIAC / ILLIAC / MANIAC / WEIZAC...
}  John Von Neumann, que participou do projeto do ENIAC,
iniciou o projeto de um novo computador, conhecido
como máquina IAS;

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}  Von Neumann não estava satisfeito com a dificuldade de se
programar o ENIAC (chaves, soquetes e cabos) e idealizou que
o programa estivesse armazenado na própria memória do
computador, compartilhando o espaço com os dados
(programa armazenado);
}  IAS:
}  Computador binário;
}  Elementos:
}  Memória;
}  ALU (Unidade Aritmética Lógica);
}  Unidade de controle;
}  Entradas / Saídas;

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}  Características do IAS:
}  Memória: 1024 palavras de 40 bits cada;
}  Cada palavras poderia ser instrução ou um número inteiro
com sinal:
}  Instrução: Duas instruções de 20 bits cada, sendo que para cada
instrução 8 bits representavam o opcode e os 12 bits restantes
representavam o endereço de memória envolvido na operação;
}  Número: Um valor inteiro de até 39 bits e 1 bit para indicar o sinal
(positivo ou negativo);
}  Acumulador: Um registrador especial de 40 bits para ser usado
nas operações;
}  Unidade de Controle: Busca na memória a instrução a ser
executada e providencia a execução da mesma;
}  Entradas / Saídas (E/S): Dados / Resultados;

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}  A IBM, até então empresa fabricante de perfuradores de
cartão e máquinas mecânicas para separar cartões, lança
em 1953 o computador chamado 701, entrando no
mercado de computadores...;

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}  A Segunda Geração - Transistores
}  Transistor inventado em 1948 no
Bell Labs por John Bardeen,
Walter Brattaim e Willian
Shockley (Prêmio Nobel em
1956);

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}  Transistor revolucionou a indústria da computação;
}  No final da década de 50 os computadores a válvula se
tornaram obsoletos;
}  TX-0 (Transistorizes Experimental Computer 0): o primeiro
computador transistorizado, desenvolvido no MIT;
}  Kenneth Olsen funda a empresa DEC em 57;
}  Em 1961 a DEC lança o seu primeiro computador, o PDP-1
($120.000);

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}  A IBM tinha o 7090, com o dobro da velocidade do PDP-1,
mas que custava milhões de dólares;
}  Alguns anos depois a DEC lança o PDP-8 ($16.000):
}  Barramento único (OmniBus);
}  Vendeu mais de 50.000 unidades se tornando líder de mercado de
minicomputadores;
}  IBM havia desenvolvido o 7094, com foco em aplicações
científicas e o 1401 com foco em aplicações comerciais;
}  Essas duas máquinas possuíam arquiteturas totalmente
diferentes;

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}  A empresa CDC lança em 1964 uma máquina mais rápida que
o 7094, chamada de 6600, que possuía funcionalidades de
processamento paralelo;
}  Projetistas das máquinas citadas estavam preocupados
exclusivamente com o Hardware (barato no caso da DEC ou
muito rápido nos casos da CDC e IBM);
}  Surge o Burroughs B5000, com projeto voltado para a
programação em uma linguagem de alto nível chamada Algol
60 (antecessora do PASCAL);
}  Esse conceito deu corpo à idéia da importância do software
no projeto de uma máquina;

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}  Em 1958 o computador valvulado 709 da IBM era 6 vezes
mais lento que o seu substituto transistorizado, o 7090,
de 1960;
}  Em 1964 o 7094 era 2 vezes mais rápido que o 7090;

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}  ATerceira Geração - Circuitos Integrados:
}  O crescente número de transistores (chegando a centenas de
milhares) utilizados na fabricação dos computadores começou a se
tornar um problema na fabricação, devido à complexidade;
}  Em 1958 Robert Noyce desenvolve um processo de integrar
circuitos eletrônicos em substratos de silício, iniciando a era da
microeletrônica;
}  Ao invés de montar e conectar componentes discretos para formar
o circuito, tornou-se possível fabricar sobre um semi-condutor (no
caso o silício), transistores, resistores e condutores, formando então
um circuito em um pequeno pedaço de silício (chip);

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}  Com o passar do tempo, a quantidade de circuito que
poderia ser fabricada em um único chip começou a
aumentar;
}  Lei de Moore (1965): O número de transistores que
poderia ser colocar em um único chip dobraria a cada
ano;
}  A partir de 1970 passou a dobrar a cada 18 meses;

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}  Consequentemente:
}  Custo do chip permaneceu inalterado durante o rápido
aumento da densidade de transistores;
}  Componentes menores e mais próximos permitem uma
operação mais rápida entre eles (aumento de velocidade);
}  Diminuição do tamanho do computador;
}  Redução da necessidade de potência de consumo e
resfriamento;
}  Maior confiabilidade no chip do que em circuitos montados
com solda;

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}  Em 1964 a incompatibilidade entre os computadores da IBM causava sérios
problemas nos clientes:
}  Alguns clientes precisavam comprar mais de um tipo de máquinas (para suprir
problemas diferentes);
}  Deveria haver uma equipe de programadores para cada tipo de máquina;
}  Novos modelos de máquinas implicavam em treinar as equipes de programação
novamente e reprogramar as aplicações da empresa;
}  Fidelização comprometida pela falta de compatibilidade;
}  Outra questão era a concorrência de diversas empresas, fazendo com que
a IBM não estivesse tão consolidada no ramo como se poderia pensar
(estava crescendo mais devagar do que deveria);
}  Desses problemas surgiu o projeto (e gigante desafio) do “System/360”,
cuja idéia era, entre outras, compatibilizar os computadores da IBM,
implicando em uma troca completa de seus computadores por novos
modelos e novas arquiteturas, ou seja, um enorme risco para a operação da
empresa, pois tornaria toda a linha de produtos anteriores obsoleta;

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}  System/360:
}  Está entre os dois maiores breakthroughs da história
corporativa norte-americana no século 20 (a outra é a
invenção do Ford T);
}  O projeto chegou a ser comparado ao Projeto Manhattan
(projeto de criação da bomba atômica), onde cientistas e
engenheiros (alguns gênios) foram levados aos seus limites,
levando ao fim da carreira de alguns;
}  Causou dúvida de pessoas se os objetivos seriam alcançados;
}  Chegou a custar $5 bilhões (projeto, fábricas, etc);

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}  Inovações do System/360:
}  Foi lançada uma família de computadores compatíveis, com custo
variando conforme capacidade e desempenho;
}  Programas escritos para um modelo poderiam ser rodados em outros
modelos (com limitações quando trazia um programa escrito para um
computador de maior capacidade para um de menor capacidade);
}  Emulação de outras máquinas. Programas escritos para o 1401 ou 7094
podiam rodar de forma emulada nos computadores da linha 360, não
necessitando a reprogramação no novo método de programação;
}  Implantação do conceito de multiprogramação: diversos programas na
memória ao mesmo tempo, de maneira que quando um programa
estivesse esperando por recursos de E/S, o outro programa estaria
processando;
}  A empresa DEC também se destacou na época com lançamento de
sucesso com a família PDP-11;

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}  A Quarta Geração – Integração de Circuitos em Escala
Muito Alta:
}  Transistores em um único chip:
}  Dezenas de milhares;
}  Centenas de milhares;
}  Milhões;
}  Alavancou o mercado de minicomputadores;
}  Diminuiu consideravelmente o custo, tornando mais
acessível;
}  Abriu caminho para a computação pessoal e os PCs;

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}  PCs inicialmente vendido em peças separadas e sem
software:
}  Processador Intel 8080;
}  Disco flexível de 8 polegadas;
}  Diversos Cis;
}  Cabos;

32
}  Apple I e Apple II:

33
}  IBM PC:
}  Processador Intel 8088;
}  Microsoft DOS;
}  Computador mais vendido da história;

34
}  Em meados da década de 80 surgiu um novo conceito de processadores, os
chamados RISC (Reduced Instruction Set Computer), que aos poucos tomaram
espaço ocupado pelos processadores CISC (Complex Instruction Set Computer);
}  Intel:
}  Depois do 8088...
}  80286 (PC AT da IBM);
}  80386 – 32 bits;
}  80486 – suporte a multiprocessamento (vários processadores);
}  Pentium (2 pipelines internos – 2x mais rápido que 80486);
}  Pentium Pro (Reestruturação do processador podendo executar até 5 instruções ao
mesmo tempo / Memória cache de dois níveis);
}  Pentium II (Aplicações multimedia MMX);
}  Celeron (baixo custo);
}  Xeon (muita memória cache / melhor multiprocessamento / barramento mais rápido);

Prof. Msc. Luiz Felipe
felipeprof@yahoo.com.br
http://www.centropaulasouza.sp.gov.br

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