Visão Geral da Ciência da Computação

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1.1 VISÃO GERAL
O Dr. Negroponte está entre aqueles que veem a revolução dos computadores como 
uma força da natureza. Esta força tem o potencial de transportar a humanidade para 
seu destino digital, nos permitindo resolver problemas que têm nos desconcertado 
por séculos, bem como todos os problemas que emergem à medida que resolvemos 
os problemas originais. Computadores nos liberaram do tédio das tarefas rotineiras, 
liberaram nosso potencial criativo coletivo de modo que podemos, com certeza, cons-
truir computadores maiores e melhores.
À medida que observamos as profundas mudanças científicas e sociais que os 
computadores nos trouxeram, é fácil sentir-se esmagado pela complexidade disso 
tudo. Esta complexidade, no entanto, emana de conceitos que são fundamentalmente 
muito simples. Estas ideias simples são aquelas que nos trouxeram para onde estamos 
hoje e são os fundamentos dos computadores do futuro. Em que extensão elas vão 
sobreviver no futuro é questão de adivinhação. Mas hoje elas são o fundamento de 
toda a ciência da computação como nós a conhecemos.
Cientistas da computação são geralmente mais preocupados com a escrita de 
algoritmos complexos de programas do que com o projeto de hardware de computa-
dores. Naturalmente, se queremos que nossos algoritmos sejam úteis, em algum mo-
mento um computador terá que executá-los. Alguns algoritmos são tão complicados 
que demorariam demais para ser executados nos computadores atuais. Estes tipos 
de algoritmos são considerados computacionalmente inexequíveis. Certamente, na 
taxa atual de inovação, algumas coisas que são inexequíveis hoje podem ser factíveis 
amanhã, mas parece que não importa quão grandes ou rápidos os computadores se 
tornem, alguém vai pensar num problema que irá exceder os limites razoáveis da 
máquina.
Para entender por que um algoritmo é inexequível, ou para entender por que a im-
plementação de um algoritmo exequível é executada tão lentamente, você deve estar 
apto a olhar para o programa sob o ponto de vista do computador. Você deve entender 
o que faz um sistema de computação pulsar antes que possa pensar em otimizar os 
programas que ele executa. Tentar otimizar um sistema de computação sem primeiro 
“Computação não é mais sobre computadores. É sobre viver... Temos visto 
computadores se moverem para fora de grandes salas com ar condicio-
nado para nossos gabinetes, depois para nossas escrivaninhas e agora 
para os nossos colos e nossos bolsos. Mas isto não é o final... Como uma 
força da natureza, a era digital não pode ser negada nem interrompida... 
A supervia da informação pode ser bastante exagerada hoje, mas ela é 
uma indicação sobre o amanhã. Ela irá existir além das previsões mais 
desvairadas das pessoas... Não estamos aguardando nenhuma invenção. 
Ela está aqui. É agora. Ela é quase genética em sua natureza, no sentido 
de que cada geração se tornará mais digital que sua antecessora.”
—Nicholas Negroponte, professor de mídia tecnológica no MIT
CAPÍTULO
1Introdução
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36 � Capítulo 1: Introdução
entender isto é como tentar regular o seu carro despejando um elixir no tanque de 
gasolina: você terá sorte se ele funcionar bem quando você terminar.
A otimização de programas e a afinação de sistemas é talvez a motivação mais 
importante para aprender como computadores funcionam. Existem, entretanto, mui-
tas outras razões. Por exemplo, se você quiser escrever compiladores, você deve en-
tender o ambiente de hardware dentro do qual o compilador irá funcionar. Os me-
lhores computadores aproveitam características de hardware particulares (tais como 
pipelining) para alcançar maior velocidade e eficiência.
Se você alguma vez precisar modelar grandes, complexos sistemas do mundo real, 
precisará saber como a aritmética de ponto-flutuante deveria funcionar e como ela real-
mente funciona na prática. Se você deseja projetar equipamentos periféricos ou o soft-
ware que comanda equipamentos periféricos, você tem que conhecer cada detalhe de 
como um determinado computador lida com sua entrada/saída (E/S). Se o seu trabalho 
envolve sistemas embarcados, você precisa saber que estes sistemas são geralmente 
restritos quanto a recursos. Sua compreensão de tempo, espaço, custo e seus compro-
metimentos, assim como arquiteturas de E/S, serão essenciais para a sua carreira.
Todos os profissionais de computação devem estar familiarizados com os concei-
tos de testes de desempenho (benchmarks) e estar aptos a interpretar e apresentar os 
resultados de sistemas de testes de desempenho. Pessoas que fazem pesquisa envol-
vendo sistemas de hardware, redes ou algoritmos consideram as técnicas de testes de 
desempenho cruciais para o seu trabalho no dia-a-dia. Gerentes técnicos encarregados 
de comprar hardware também usam testes de desempenho para ajudá-los a comprar o 
melhor sistema por um certo preço, tendo em mente os nodos como os testes de desem-
penho podem ser manipulados para fornecer resultados favoráveis a certos sistemas.
Os exemplos anteriores ilustram a ideia de que existe um relacionamento fun-
damental entre o hardware de computadores e muitos aspectos de programação e 
componentes de software em sistemas de computação. Portanto, não obstante a sua 
área de especialização, como cientistas de computação é imperativo que entendamos 
como o hardware interage com o software. Devemos nos tornar familiarizados com 
como os vários circuitos e componentes se ajustam para criar sistemas de computação 
que funcionem. Fazemos isto por meio do estudo da organização de computadores. 
A organização de computadores trata de questões como sinais de controle (como o 
computador é controlado), métodos de sinalização e tipos de memória; compreende 
todos os aspectos físicos dos sistemas de computação e nos ajuda a responder à per-
gunta: Como um computador funciona?
O estudo da arquitetura de computadores, por outro lado, enfoca a estrutura e 
o comportamento do sistema de computação e se refere aos aspectos lógicos da im-
plementação do sistema como visto pelo programador. A arquitetura de computadores 
inclui muitos elementos, tais como conjuntos de instruções e formatos, códigos de ope-
rações, tipos de dados, quantidade e tipos de registradores, modos de endereçamento, 
métodos de acesso à memória principal e diversos mecanismos de E/S. A arquitetura 
de um sistema afeta diretamente a execução lógica de programas. Estudar arquitetura 
de computadores nos ajuda a responder à pergunta: Como eu projeto um computador?
A arquitetura de computadores para uma dada máquina é a combinação de seus 
componentes de hardware com a sua arquitetura de conjunto de instruções (ISA – Ins-
truction Set Architecture). A ISA é a interface combinada entre todo o software executa-
do na máquina e o hardware que o executa. A ISA permite que você fale com a máquina.
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1.2 Os Principais Componentes de um Computador � 37
A distinção entre organização de computadores e arquitetura de computadores 
não é bem delimitada. Pessoas no campo de ciência da computação e engenharia da 
computação possuem opiniões diferentes sobre exatamente quais conceitos perten-
cem à organização de computadores e quais pertencem à arquitetura de computado-
res. De fato, nem organização de computadores nem arquitetura de computadores 
podem se manter sozinhas. Elas são inter-relacionadas e interdependentes. Podemos 
verdadeiramente entender cada uma delas somente após termos compreendido am-
bas. Nossa compreensão de arquitetura e organização de computadores nos conduz, 
enfim, a um conhecimento mais profundo de computadores e computação – o cora-
ção e a alma da ciência de computadores.
1.2 OS PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM COMPUTADOR
Embora seja difícil distinguir os conceitos pertencentes à organização de computadores 
daqueles que pertencem à arquitetura de computadores, é impossível afirmar onde as 
questõesde hardware terminam e as questões de software iniciam. Cientistas de compu-
tação projetam algoritmos que geralmente são implementados como programas escritos 
em alguma linguagem de programação, como Java ou C. Mas o que possibilita a execu-
ção de um algoritmo? Outro algoritmo, com certeza! E um outro algoritmo executa esse 
algoritmo e assim é até que você chegue no nível de máquina, que pode ser imaginado 
como um algoritmo implementado em um dispositivo eletrônico. Portanto, os compu-
tadores modernos são, na verdade, implementações de algoritmos que executam outros 
algoritmos. Esta cadeia de algoritmos aninhados nos conduz ao seguinte princípio:
Princípio de Equivalência de Hardware e Software: Qualquer coisa que 
possa ser feita com software pode ser feita com hardware, e qualquer coisa 
que possa ser feita com hardware também pode ser feita com software.*
Um computador de propósito especial pode ser projetado para realizar qualquer tare-
fa, tal como processar texto, analisar um orçamento ou jogar amigavelmente o jogo 
Tetris. Consequentemente, programas podem ser escritos para realizar as funções de 
computadores de propósito especial, tais como sistemas embarcados localizados em 
seu carro ou micro-ondas. Existem vezes em que um simples sistema embarcado nos 
dá uma performance muito melhor do que um programa complicado de computador, 
e existem vezes em que um programa é a abordagem preferida. O Princípio de Equi-
valência de Hardware e Software nos afirma que temos escolha. Nosso conhecimento 
de arquitetura e organização de computadores vai nos ajudar a fazer a melhor delas.
Iniciamos nossa discussão sobre hardware de computadores examinando os com-
ponentes necessários para construir um sistema de computação. No nível mais básico, 
um computador é um dispositivo que consiste de três partes:
 1. Um processador para interpretar e executar programas
 2. Uma memória para armazenar dados e instruções
 3. Um mecanismo para transferir dados de e para o mundo externo
* O que este princípio não trata é a velocidade com a qual tarefas equivalentes são realizadas. Implementações em 
hardware são sempre mais rápidas.
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38 � Capítulo 1: Introdução
Vamos discutir estes três componentes em detalhe nos capítulos seguintes, à medida 
que eles se relacionam com o hardware de computadores.
Assim que você entender computadores em termos de suas partes componentes, 
você vai estar capacitado a entender o que um sistema está fazendo durante todo o 
tempo e como você pode alterar este comportamento se isto for desejável. Você pode 
mesmo pensar que tem algumas coisas em comum com ele. Esta ideia não é tão ab-
surda quanto parece ser. Imagine como um estudante sentado em sua cadeira repre-
senta os três componentes de um computador: o cérebro do estudante é o processador, 
as anotações que estão sendo feitas representam a memória e a caneta usada para 
tomar notas é o mecanismo de E/S. Mas tenha sempre em mente que suas habilidades 
ultrapassam muito aquelas de qualquer computador hoje existente ou que venha a ser 
construído em um futuro próximo.
1.3 UM SISTEMA-EXEMPLO: ENTRANDO NO JARGÃO
Este livro vai introduzir vocabulário específico de computadores. Este jargão pode 
ser confuso, impreciso e intimidante. Acreditamos que com uma pequena explicação, 
podemos clarear a neblina.
Para fins de discussão, apresentamos cópia de um anúncio de computador (ver 
Figura 1.1). O anúncio é um típico exemplar daqueles que bombardeiam o leitor 
com frases como “DDR SDRAM 256MB,” “placa de som 64-bit PCI” e “cache L1 
32KB”. Sem ter uma noção sobre tal terminologia, você estaria em apuros para saber 
se o sistema anunciado é uma boa compra ou mesmo se é capaz de atender às suas ne-
• Pentium 4 2.0 GHz
• DDR SDRAM 400MHz 256MB
• cache L1 32KB, cache L2 256KB
• disco fixo 80GB serial ATA (7200 RPM)
• 8 Portas USB, 1 porta serial, 1 porta paralela
• Monitor 19”, .24mm AG, 1280 � 1024 a 75Hz
• unidade CD-RW 48X 
• Placa de vídeo 128MB PCI Express
• data/fax modem 56K PCI 
• placa de som 64-bit PCI
• Ethernet 10/100 integrada
PROMOÇÃO: COMPUTADOR ULTRAPASSADO – BARATO! BARATO! BARATO!
FIGURA 1.1 Um anúncio típico de computador.
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1.3 Um Sistema-Exemplo: Entrando no Jargão � 39
cessidades. À medida que avançarmos neste livro, você vai aprender os conceitos que 
estão por trás destes termos. Entretanto, antes de explicarmos o anúncio, precisamos 
discutir algo mais básico ainda: a terminologia de medidas que você vai encontrar ao 
longo de seu estudo sobre computadores.
Parece que cada campo tem a sua própria maneira de medir coisas. O campo de 
computação não é exceção. Para que pessoas da computação possam dizer a outras 
quão grande algo é ou quão rápido é, elas devem usar as mesmas unidades de me-
didas. Os prefixos comuns usados com computadores são dados na Tabela 1.1. Nos 
anos 1960, alguém decidiu que como as potências de 2 eram similares às potências 
de 10, os mesmos nomes de prefixos poderiam ser usados para ambas. Por exemplo, 
210 é próximo a 103, e, assim, “kilo” é usado para referir-se a ambos. O resultado foi 
uma grande confusão: o tal prefixo refere-se a uma potência de 10 ou a uma potência 
de 2? Um kilo significa 103 de algo ou 210 de algo? Embora não exista uma resposta 
definitiva para esta pergunta, são aceitos “padrões de uso”. Prefixos de potências de 
10 são comumente usados para energia, voltagem elétrica, frequência (tal como a 
velocidade de um relógio de computador) e múltiplos de bits (tal como velocidade 
de dados em número de bits por segundo). Se o seu modem antiquado transmite a 
28,8 kb/s, então ele transmite 28.800 bits por segundo (ou 28,8 �103). Note o uso 
da letra minúscula “k” para representar 103 e da letra minúscula “b” para se referir a 
bits. Uma letra maiúscula “K” é usada para se referir ao prefixo de potência de 2, ou 
1024. Se um arquivo tem o tamanho de 2K, então ele possui 2 � 210 ou 2048 bytes. 
Note que a letra maiúscula “B” se refere a byte. Se um disco contém 1MB, então ele 
contém 220 bytes (ou um megabyte) de informação.
Não saber se prefixos específicos se referem a potências de 2 ou a potências de 10 
pode causar confusão. Por esta razão, a International Electrotechnical Commission, 
com o auxílio do National Institute of Standards and Technology, aprovou nomes e 
símbolos padronizados para prefixos binários a fim de diferenciá-los dos prefixos 
decimais. Cada prefixo é derivado dos símbolos dados na Tabela 1.1, adicionando-se 
TABELA 1.1 Prefixos comuns associados com arquitetura e organização de computadores
Pref. Símb. Potência de 10
Potência 
de 2 Pref. Símb. Potência de 10
Potência 
de 2
Kilo K 1 mil � 103 210 � 1024 Mili m 1 milésimo � 10�3 2�10
Mega M 1 milhão � 106 220 Micro m 1 milionésimo � 10�6 2�20
Giga G 1 bilhão � 109 230 Nano n 1 bilionésimo � 10�9 2�30
Tera T 1 trilhão � 1012 240 Pico p 1 trilionésimo � 10�12 2�40
Peta P 1 quadrilhão � 1015 250 Femto f 1 quadrilionésimo � 10�15 2�50
Exa E 1 quintillhão � 1018 260 Atto a 1 quintilionésimo � 10�18 2�60
Zetta Z 1 sextilhão � 1021 270 Zepto z 1 sextilionésimo � 10�21 2�70
Yotta Y 1 setilhão � 1024 280 Yocto y 1 setilionésimo � 10�24 2�80
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40 � Capítulo 1: Introdução
um “i”. Por exemplo, 210 foi renomeado como “kibi” (de kilobinary) e é representado 
pelo símbolo Ki, 220 é mebi, ou Mi, seguido por gibi (Gi), tebi (Ti), pebi (Pi), exbi (Ei) 
e assim por diante. Portanto, o termo mebibyte, que significa 220 bytes, substitui o que 
tradicionalmente chamamos de megabyte.
Tem havido uma adoção limitada destes novos prefixos. Isto é uma pena, porque, 
como usuário de computador, é importante entender o verdadeiro significado destes 
prefixos. Um kilobyte (1KB) de memória é normalmente 1024 bytes de memória 
em vez de 1000 bytes de memória. Entretanto, uma unidade de discode 1 GB pode 
na realidade ter 1 bilhão de bytes em vez de 230 (o que significa que você está tendo 
menos memória do que você pensa). Todos os discos flexíveis de 3,5” são descritos 
como armazenamento de 1,44 MB de dados, quando, de fato, eles armazenam 1440 
KB (ou 1440 � 210 � 1474560 bytes). Você deve sempre ler as letras pequenas do 
fabricante para se assegurar sobre o que exatamente 1K, 1KB ou 1G representam. 
Veja o quadro “Quando um Gigabyte não é bem...” para um bom exemplo de como 
isto é importante.
Quando um Gigabyte não é bem...
Comprar um novo conjunto de unidades de disco pode ser um processo relativamente dire-
to, uma vez que você determina suas necessidades técnicas (p.ex., taxa de transferência de 
disco, tipo de interface, etc.). A partir disso, você deveria estar apto a tomar a sua decisão 
baseado em uma simples relação preço/capacidade, tal como custo por gigabyte, e, então 
decidir. Bom, não é tão rápido. O primeiro empecilho no caminho de uma análise direta é 
que você deve ter certeza de que as unidades que você está comparando expressam suas 
capacidades em bytes formatados ou não formatados. Cerca de 16% do espaço em disco é 
consumido durante o processo de formatação. (Alguns vendedores fornecem este número 
como “capacidade útil”.) Naturalmente, a relação preço-capacidade parece muito melhor 
quando bytes não formatados são usados, embora você esteja mais interessado em saber a 
quantidade de espaço usável que um disco fornece.
Seu próximo obstáculo é assegurar-se de que a mesma base é usada na comparação de 
tamanhos de disco. É cada vez mais comum capacidades de disco serem dadas na base 10 
em vez de na base 2. Assim, uma unidade de disco de “1GB” possui capacidade para 109 
�1.000.000.000 bytes, em vez de 230 � 1.073.741.824 bytes – uma redução de cerca de 
7%. Isto pode fazer uma enorme diferença ao comprar sistemas empresariais de memória 
de muitos gigabytes.
Como um exemplo concreto, suponha que você está considerando comprar um conjun-
to de discos de dois fabricantes líderes do mercado. O fabricante x anuncia um conjunto de 
12 discos de 250GB por um preço de $20.000. O fabricante y está oferecendo um conjunto 
de 12 discos de 212,5GB por $21.000. Todas as outras coisas sendo iguais, a taxa de custo 
surpreendentemente favorece o fabricante x:
fabricante x: 20.000 ÷ (12 � 250GB) �6,67 por GB
fabricante y: 21.000 ÷ (12 � 212,5GB) �8,24 por GB
(continua)
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1.3 Um Sistema-Exemplo: Entrando no Jargão � 41
Quando queremos falar sobre a rapidez de algo, falamos em termos de frações 
de segundo – geralmente milésimos, milionésimos, bilionésimos ou trilionésimos. 
Prefixos para estas medidas são dados no lado direito da Tabela 1.1. Geralmente po-
tências negativas se referem a potências de 10, e não, a potências de 2. Por esta razão, 
os novos padrões de prefixos binários não incluem quaisquer novos nomes para as 
potências negativas.
Note que os prefixos fracionários possuem expoentes que são os recíprocos dos 
prefixos do lado esquerdo da tabela. Portanto, se alguém diz a você que uma operação 
requer um microssegundo para terminar, você deve entender que um milhão destas 
operações devem ser realizadas em um segundo. Quando você precisa falar sobre 
quantas destas coisas acontecem em um segundo, você deve usar o prefixo mega. 
Quando você precisa falar sobre a rapidez de execução de operações, você deve usar 
o prefixo micro.
Agora, para explicar o anúncio: o microprocessador é a parte do computador que 
realmente executa as instruções do programa; ele é o cérebro do sistema. O micropro-
cessador do anúncio é um Pentium 4, operando a 2,0GHz. Cada sistema de compu-
tação contém um relógio que mantém o sistema sincronizado. O relógio envia pulsos 
elétricos simultaneamente a todos os principais componentes, assegurando que dados 
e instruções estejam onde devem estar e quando devem estar lá. O número de pul-
sações emitidas a cada segundo pelo relógio é a frequência. Frequências de relógio 
são medidas em ciclos por segundo, ou hertz. Se o relógio de um sistema de compu-
tação gera milhões de pulsos por segundo, dizemos que ele opera em intervalos de 
megahertz (MHz). Muitos computadores atuais operam em intervalos de gigahertz 
(GHz), gerando bilhões de pulsos por segundo. Visto que quase nada é feito por um 
computador sem o envolvimento do processador, a taxa de frequência do micropro-
cessador é crucial para a velocidade geral do sistema. O microprocessador do sistema 
Sendo um pouco desconfiado, você pode dar alguns telefonemas e descobrir que o 
fabricante x está fornecendo as capacidades em gigabytes sem formatação na base 10 e 
que o fabricante y está usando gigabytes na base 2 formatada. Estes fatos trazem para o 
problema uma luz inteiramente diferente, os discos do fabricante x não são realmente de 
250GB no modo que normalmente pensamos em gigabytes. Em vez disso, eles são de cerca 
de 232,8 base 2 gigabytes. Após a formatação, o número se reduz ainda mais, para cerca de 
197,9GB. Assim, as taxas reais de custo são, de fato:
fabricante x: 20.000 ÷ (12 � 197,9GB) �8,42 por GB
fabricante y: 21.000 ÷ (12 � 212,5GB) �8,24 por GB
Certamente alguns vendedores são bastante honestos ao fornecer as capacidades de 
seus equipamentos. Infelizmente, outros revelam os fatos somente quando diretamente 
questionados. Seu trabalho como um profissional treinado é formular as perguntas certas.
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42 � Capítulo 1: Introdução
anunciado opera a 2 bilhões de ciclos por segundo, de modo que o vendedor diz que 
ele funciona a 2,0GHz.
Entretanto, o fato de este processador operar a 2,0GHz não necessariamente 
significa que ele pode executar 2 bilhões de operações por segundo, ou, equivalen-
temente, que cada instrução requer 0,5 nanossegundos para ser executada. Mais 
adiante, neste livro, você vai ver que cada instrução de computador requer um 
número fixo de ciclos para ser executada. Algumas instruções requerem um ciclo 
de relógio; entretanto, a maioria das instruções requer mais do que um. O número 
de instruções por segundo que um microprocessador pode realmente executar é 
proporcional à velocidade de seu relógio. O número de ciclos de relógio necessá-
rios para executar uma determinada instrução é uma função de sua arquitetura e 
de sua organização.
A próxima coisa que vamos ver no anúncio é “DDR SDRAM 400MHz 256MB”. 
O 400MHz refere-se à velocidade do barramento do sistema, que é um grupo de fios 
usado para mover os dados e as instruções para vários lugares dentro do computador. 
Como o microprocessador, a velocidade do barramento também é medida em MHz. 
Muitos computadores possuem um barramento local especial para dados que suporta 
velocidades de transferência muito rápidas (tais como as exigidas pelo vídeo). Este 
barramento local é um caminho de dados muito rápido que conecta a memória dire-
tamente ao processador. A velocidade do barramento determina o limite superior da 
capacidade de transporte de informações do sistema.
O sistema em nosso anúncio também alardeia uma capacidade de memória de 
256 megabytes (MB), ou cerca de 256 milhões de caracteres. A capacidade da me-
mória não apenas determina o tamanho dos programas que você pode executar, mas 
também quantos programas você pode executar ao mesmo tempo sem degradar o 
sistema. O fornecedor de sua aplicação ou sistema operacional irá normalmente re-
comendar quanta memória você vai precisar para executar seus produtos. (Algumas 
vezes, estas recomendações pode ser absurdamente conservadoras, de modo que você 
deve ser cuidadoso sobre em quem acreditar!)
Além do tamanho da memória, nosso sistema anunciado indica o tipo de memó-
ria, SDRAM, abreviatura para memória dinâmica síncrona de acesso randômi-
co (synchronous dynamic random access memory). SDRAM é muito mais rápida 
que a memória convencional (não síncrona) porque ela pode sincronizar a si mesmacom o barramento do microprocessador. O sistema em nosso anúncio possui DDR 
SDRAM, ou SDRAM com dupla taxa de dados (double data rate) (para mais infor-
mação sobre diferentes tipos de memória, ver o Capítulo 6).
A próxima linha do anúncio, “cache L1 32KB, cache L2 256KB” também des-
creve um tipo de memória. No Capítulo 6, você vai aprender que independentemente 
da velocidade do barramento, sempre demorará “algum tempo” para levar dados da 
memória para o processador. Para fornecer um acesso ainda mais rápido aos dados, 
muitos sistemas contém uma memória especial denominada cache. O sistema em 
nosso anúncio possui duas espécies de cache. A cache nível 1 (L1) é uma memória ca-
che pequena e rápida que está dentro do chip do microprocessador e ajuda a aumentar 
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1.3 Um Sistema-Exemplo: Entrando no Jargão � 43
Um olhar dentro do computador
Você alguma vez já imaginou como um computador realmente se parece por dentro? O 
computador no exemplo descrito nesta seção dá uma boa visão geral dos componentes de 
um computador pessoal moderno. Entretanto, abrir um computador e tentar encontrar e 
identificar as diversas peças pode ser frustrante, mesmo que você esteja familiarizado com 
os componentes e suas funções.
Conectores de 
áudio e microfone
Conector
de rede
Porta
paralela
Porta
serial
Conectores de
mouse e 
teclado
Conectores
USB
Soquete do
processador
(UCP)
Bancos de
memória
RAM
Conector de
alimentaçãoConector de
disquete
Conector
IDE principal
Conector IDE
secundário
Bateria
Hub controlador
de E/S
Hub controlador
de memória
Conector
AGP
Conectores
PCI
Cortesia de Intel Corporation
Se você remover a cobertura de seu computador, você sem dúvida verá uma grande caixa 
de metal com um ventilador junto a ela. Esta é a fonte de alimentação. Você também verá 
diversas unidades, incluindo uma unidade de disco e, talvez, uma unidade de disco flexível e 
unidades de CD-ROM ou DVD. Existem diversos circuitos integrados – pequenas caixas pre-
tas com pernas. Você também vai notar os caminhos elétricos, ou barramentos, do sistema. 
Existem placas de circuito impresso que se conectam em soquetes da placa-mãe, a grande 
placa no fundo de um PC padrão, ou no lado de um PC configurado como torre ou minitorre. 
A placa-mãe é a placa de circuito impresso que conecta todos os componentes do compu-
tador, incluindo a UCP, as memórias RAM e ROM, bem como diversos outros componentes 
essenciais. Os componentes da placa-mãe tendem a ser mais difíceis de identificar. Acima, 
você vê uma placa-mãe Intel D850 com identificação dos componentes mais importantes.
As portas de E/S no topo da placa-mãe permitem ao computador se comunicar com 
o mundo externo. O hub controlador de E/S permite que todos os dispositivos conectados 
funcionem sem conflito. Os conectores para componentes periféricos (PCI – Peripheral 
Component Interconnect) se destinam a placas de expansão correspondentes aos diversos 
(continua)
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44 � Capítulo 1: Introdução
a velocidade de acesso a dados usados frequentemente. A cache de nível 2 (L2) é uma 
coleção de chips de memória embutidos, rápidos, situados entre o microprocessador 
e a memória principal. Note que a cache em nosso sistema possui uma capacidade de 
kilobytes (KB), que é muito menor do que a memória principal. No Capítulo 6 você 
vai aprender como a cache funciona e que uma grande cache nem sempre é melhor.
Por outro lado, todo mundo concorda que quanto mais capacidade de disco você 
tiver, melhor. O sistema anunciado possui um disco rígido de 80GB, o que era bastan-
te na época do anúncio. No entanto, a capacidade de um disco fixo (ou rígido) não é 
a única coisa a se considerar. Um disco grande não é muito útil se ele for muito lento 
para seu sistema hospedeiro. O computador em nosso anúncio possui um disco rígido 
com uma rotação de 7200 rotações por minuto (RPM). Para o leitor bem informado, 
isto indica (mas não assegura completamente) que é uma unidade bastante rápida. 
Geralmente velocidades de disco são apresentadas em termos de milissegundos re-
queridos (em média) para acessar dados no disco, além da velocidade de rotação do 
disco.
A velocidade de rotação é apenas um dos fatores determinantes da performance 
geral de um disco. A maneira como ele se conecta ao – ou tem interface com o – resto 
do sistema também é importante. O sistema anunciado usa uma interface de disco se-
rial ATA (advanced technology attachment). Esta é uma interface de armazenamen-
to evolucionária que está substituindo a IDE (integrated drive electronics). Outra 
interface comum é a EIDE (enhanced integrated drive electronics), uma interface de 
hardware alternativa de bom custo-benefício para dispositivos de memória de massa. 
dispositivos PCI. O conector AGP é para ligar a placa gráfica AGP. Existem dois bancos de 
memória RAM e um hub controlador de memória. Não existe nenhum processador ligado 
nesta placa-mãe, mas podemos ver o soquete onde a UCP deve ser colocada.
Todos os computadores possuem uma bateria interna, como visto no canto inferior 
esquerdo. Esta placa-mãe possui dois conectores IDE e um para o controlador de disco fle-
xível. A fonte de alimentação se liga ao cabo de energia.
Um aviso de precaução ao examinar o computador por dentro: existem muitas consi-
derações de segurança envolvidas com a remoção da cobertura, tanto para você quanto 
para seu computador. Existem muitas coisas que você pode fazer para minimizar os 
riscos. Primeiro e mais importante, certifique-se de que o computador esteja desligado. 
Muitas vezes, é preferível deixá-lo ligado, pois isto oferece um caminho para a eletri-
cidade estática. Antes de abrir o seu computador e de tocar qualquer coisa ali dentro, 
certifique-se de que você tem bom aterramento, de modo que a eletricidade estática 
não danifique quaisquer componentes. Muitos cantos da cobertura e das placas de cir-
cuitos podem ser pontiagudos, portanto tome cuidado ao manipular as diversas peças. 
Tentar apertar placas desalinhadas nos soquetes pode danificar tanto a placa quanto a 
placa-mãe; assim, seja cuidadoso quando você decidir adicionar uma nova placa ou re-
mover e reinstalar uma já existente.
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1.3 Um Sistema-Exemplo: Entrando no Jargão � 45
A EIDE contém circuitos especiais que permitem melhorar a conectividade, a velo-
cidade e a capacidade de memória de um computador. A maioria dos sistemas ATA, 
IDE e EIDE compartilham o barramento principal do sistema com o processador e a 
memória, de modo que a movimentação de dados de e para o disco também é depen-
dente da velocidade do barramento do sistema. 
Considerando que o barramento do sistema é responsável por toda a movimen-
tação interna de dados do computador, portas permitem o movimento de dados de e 
para dispositivos externos ao computador. Nosso anúncio fala de três diferentes portas 
na linha “8 Portas USB, 1 porta serial, 1 porta paralela”. A maioria dos computadores 
de mesa vem com dois tipos de portas de dados: portas seriais e portas paralelas. Por-
tas seriais transferem dados enviando séries de impulsos elétricos através de uma ou 
duas linhas de dados. Portas paralelas usam pelo menos oito linhas de dados que são 
energizadas simultaneamente para transmitir dados. Nosso sistema anunciado também 
vem equipado com conexões seriais especiais, denominadas portas USB (universal 
serial bus). USB é um barramento externo popular que suporta Plug-and-Play (a 
habilidade de configurar dispositivos automaticamente), bem como hot plugging (a 
habilidade de adicionar e remover dispositivos com o computador em funcionamento).
Alguns sistemas aumentam o seu circuito principal com barramentos dedicados 
de E/S. O PCI (Peripheral Component Interconnect) é um dos tais barramentos de 
E/S que suporta a conexão de diversos dispositivos periféricos. O PCI, desenvolvidopela Intel Corporation, opera a altas velocidades e também suporta Plug-and-Play. 
Existem três dispositivos PCI mencionados no anúncio. O modem PCI permite ao 
computador conectar-se à Internet. (Discutimos modems em detalhe no Capítulo 12.) 
Um modem data/fax serve como um modem (se o usuário deseja conectar-se à Inter-
net através de um provedor de serviços de Internet) e como uma máquina de fax (para 
enviar documentos). O segundo dispositivo PCI é uma placa de som, que contém os 
componentes necessários para o funcionamento dos alto-falantes estéreo e do micro-
fone do sistema. O terceiro dispositivo PCI é a placa de vídeo, que é discutida mais 
adiante. Você vai aprender mais sobre diferentes tipos de E/S, barramentos de E/S e 
memória de disco no Capítulo 7.
Depois de nos informar sobre as portas do sistema, o anúncio nos fornece algu-
mas especificações para o monitor, dizendo “monitor 19", .24mm AG, 1280 � 1024 a 
75Hz”. Monitores têm pouca relação com a velocidade ou a eficiência de um sistema 
de computação, mas eles têm uma grande relação com o conforto do usuário. O mo-
nitor do anúncio suporta uma taxa de restauração de 75Hz. Isto significa que a ima-
gem exibida no monitor é repintada 75 vezes por segundo. Se a taxa de restauração é 
muito lenta, a tela pode exibir um comportamento irritante de sacolejo ou ondulações. 
A fadiga ocular ocasionada por uma exibição em ondas faz as pessoas se cansarem 
facilmente; algumas pessoas podem mesmo ter dores de cabeça após períodos pro-
longados de uso. Outra fonte de fadiga ocular é uma resolução pobre. Um monitor de 
alta resolução propicia uma visualização melhor e gráficos de melhor qualidade. A 
resolução é determinada pelo dot pitch do monitor, que é a distância entre um ponto 
(ou pixel) e o ponto mais próximo da mesma cor. Quanto menor o ponto, mais nítida 
é a imagem. Neste caso, temos um dot pitch de 0,24 milímetros (mm) suportado por 
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46 � Capítulo 1: Introdução
um vídeo AG (aperture grill). Grades de abertura dirigem o feixe de elétrons que 
pinta a figura no monitor na cobertura de fósforo dentro do vidro do monitor. Os mo-
nitores AG produzem imagens mais nítidas do que a antiga tecnologia de máscara de 
sombra (shadow mask).
À luz da discussão anterior, você pode estar imaginando por que a distância entre 
pontos do monitor não pode ser arbitrariamente pequena para fornecer figuras com 
resolução perfeita. Restaurar 100 pontos, por exemplo, requer mais tempo do que 
restaurar 50 pontos. Uma distância entre pontos menor requer mais pontos para cobrir 
a tela. Quanto mais pontos a restaurar, mais tempo leva cada ciclo de restauração. 
Especialistas recomendam uma taxa de restauração de pelo menos 75Hz.
Nosso sistema anunciado possui um CD-RW 48x, ou disco compacto regravá-
vel. Esta unidade nos permite usar CDs que podem ser gravados e apagados muitas 
vezes. A medida de velocidade de unidade de CD 48x nos informa a velocidade 
com que esta unidade pode ler e gravar. Um “x” significa 153.000 bytes de dados 
por segundo.
A placa de vídeo de nosso sistema é uma placa de vídeo PCI express (PCIe). 
PCIe é uma especificação de interface concebida para melhorar a performance do 
sistema gráfico pelo aumento da largura total de banda. Muitos sistemas possuem 
em vez disso, placas gráficas AGP (accelerated graphics port). Esta é uma interface 
gráfica projetada pela Intel especificamente para gráficos 3D. Aumentando o fluxo de 
comunicação entre a UCP e o controlador gráfico, a PCI permite que as aplicações 
gráficas sejam executadas mais rapidamente do que com AGP.
Computadores são mais úteis se puderem se comunicar com o mundo exte-
rior. Uma forma de se comunicar é usar um provedor de serviços de Internet e um 
modem. Outra é através de uma conexão direta com uma rede. Redes permitem a 
usuários compartilhar arquivos e dispositivos periféricos. Computadores podem se 
conectar a uma rede através de tecnologia com fio ou sem fio. Computadores conec-
tados por fios usam a tecnologia Ethernet, um padrão internacional de tecnologia 
para redes com fios. Neste caso, existem duas opções para a conexão. A primeira é 
usar um cartão de interface de rede (NIC – network interface card), que se conecta 
à placa-mãe através de um conector PCI. As NICs normalmente suportam Ethernet 
10/100 (Ethernet com velocidade de 10Mbps e Ethernet rápida com velocidade de 
100Mbps). Outra opção para rede com fio é a Ethernet integrada, o que significa 
que a própria placa-mãe contém todos os componentes necessários para suportar a 
Ethernet 10/100; assim, não é necessário um conector PCI. Redes sem fio possuem 
as mesma opções. NICs sem fio são fornecidos por muitos fabricantes e estão dispo-
níveis para computadores de mesa e para laptops. Para instalação em computadores 
de mesa, você precisa de uma placa interna que provavelmente terá uma antena 
pequena. Laptops normalmente usam um conector de expansão (PCMCIA) para 
a placa de rede sem fio, e os fabricantes estão integrando uma antena no gabinete, 
atrás da tela. Redes integradas sem fio (tais como as encontradas na tecnologia 
móvel Intel Centrino) eliminam a confusão de cabos e placas. O sistema em nosso 
anúncio adota Ethernet integrada.
Não nos aprofundaremos em componentes de marcas específicas disponíveis; 
ainda assim, depois de terminar este livro, você deverá entender como a maioria 
dos sistemas de computação funciona. Esta compreensão é importante para usuá-
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1.4 Organizações de Padronização � 47
rios leigos, bem como para programadores experientes. Como um usuário, você 
precisa estar ciente das vantagens e das limitações de seu sistema de computação 
para que possa tomar decisões conscientes sobre aplicações e assim usar seu siste-
ma mais efetivamente. Como um programador, você precisa entender exatamente 
como seu sistema de hardware funciona, de modo que possa escrever programas 
eficazes e eficientes. Por exemplo, algo tão simples como o algoritmo que seu 
hardware usa para mapear a memória principal na cache ou o método usado para 
intercalação de memória pode ter um tremendo impacto em sua decisão de aces-
sar elementos de um array por ordem de linha ou por ordem de coluna. Ao longo 
deste livro estudamos grandes e pequenos computadores. Grandes computadores 
incluem mainframes, servidores empresariais e supercomputadores. Computadores 
pequenos incluem sistemas pessoais, estações de trabalho e dispositivos portáteis. 
Vamos mostrar que independentemente de eles realizarem pequenas tarefas ou exe-
cutarem tarefas científicas sofisticadas, os componentes destes sistemas são bas-
tante similares. Também vamos abordar algumas arquiteturas que estão fora do que 
atualmente é o fluxo principal da computação. Esperamos que o conhecimento que 
você vai obter neste livro sirva definitivamente como um trampolim para continuar 
seus estudos nos vastos e entusiasmantes campos da arquitetura e organização de 
computadores.
1.4 ORGANIZAÇÕES DE PADRONIZAÇÃO
Suponha que você gostaria de ter um destes novos e elegantes monitores AG com 
distância entre pontos de .24mm. Você imagina que pode ir às compras e encontrar 
o melhor preço. Você dá alguns telefonemas, navega na Web e anda pela cidade até 
que encontra uma loja que dá o máximo pelo seu dinheiro. Com sua experiência, 
você sabe que pode comprar seu monitor em qualquer lugar e que ele provavelmen-
te vai funcionar bem no seu sistema. Você pode fazer esta suposição porque fabri-
cantes de equipamentos de computação concordaram em atender às especificações 
de conectividade e operacionais estabelecidas por diversas organizações governa-
mentais e empresariais.
Algumas destas organizações de estabelecimento de padrões são associações co-
merciais ad hoc ou consórcios criados por líderes industriais. Os fabricantes sabem 
que o estabelecimento de normas comuns para um determinado tipo de equipamentofaz com que eles possam vender seus produtos para um público maior do que se eles 
tiverem especificações próprias – talvez incompatíveis.
Algumas organizações de padronização possuem patentes formais e são reconhe-
cidas internacionalmente como a autoridade definitiva em certas áreas de eletrônica e 
computadores. À medida que continuar seus estudos em arquitetura e organização de 
computadores, você vai encontrar especificações formuladas por estes grupos; logo, 
você deve saber alguma coisa sobre eles.
O Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) é uma organização 
dedicada ao avanço das profissões de eletrônica e engenharia de computação. O IEEE 
fomenta ativamente os interesses da comunidade mundial de engenharia por meio 
da publicação de uma variedade de literatura técnica. O IEEE também estabelece 
padrões para vários componentes de computadores, protocolos de sinalização e re-
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48 � Capítulo 1: Introdução
presentação de dados, apenas para relacionar algumas áreas de seu envolvimento. O 
IEEE possui um procedimento democrático, embora demorado, estabelecido para a 
criação de novos padrões. Seus documentos finais são bem respeitados e geralmente 
duram muitos anos antes de requerer revisão.
A International Telecommunications Union (ITU) é baseada em Genebra, na 
Suiça. A ITU era anteriormente conhecida como Comitê Consultivo Internacional de 
Telegrafia e Telefonia (Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphoni-
que). Como seu nome indica, o ITU se preocupa com a interoperabilidade dos sis-
temas de comunicação, incluindo telefone, telégrafo e sistemas de comunicação de 
dados. O braço de telecomunicações do ITU, ou ITU-T, estabeleceu diversos padrões 
que você vai encontrar na literatura. Você vai ver estes padrões prefixados por ITU-T 
ou pelas antigas iniciais do grupo, CCITT.
Muitos países, incluindo a Comunidade Europeia, comissionaram organizações 
abrangentes para representar seus interesses dentro dos diversos grupos internacio-
nais. O grupo que representa os Estados Unidos é o American National Standards 
Institute (ANSI). A Grã-Bretanha possui sua British Standards Institution (BSI) 
e é integrante do CEN (Comité Européen de Normalisation), o comitê europeu de 
padronização.
A International Organization for Standardization (ISO) é a entidade que 
coordena mundialmente o desenvolvimento de padrões, incluindo as atividades da 
ANSI com a BSI, entre outras. ISO não é uma sigla, mas provém da letra grega isos, 
que significa “igual.” A ISO consiste de mais de 2800 comitês técnicos, cada um 
encarregado de alguma questão de padronização global. Seus interesses variam do 
comportamento de filme fotográfico à largura de linhas de parafusos, incluindo o 
mundo complexo de engenharia de computação. A proliferação do comércio mundial 
tem sido facilitada pela ISO. Atualmente, a ISO toca praticamente cada um dos as-
pectos da nossas vidas.
Ao longo deste livro, mencionamos nomes de padrões oficiais onde era apropriado. 
Informações definitivas sobre muitos destes padrões podem ser encontradas com mí-
nimos detalhes nas páginas Web da organização responsável pelo estabelecimento do 
padrão mencionado. Como um bônus extra, muitos padrões contêm referências “norma-
tivas” e informativas que fornecem mais informação sobre áreas relacionadas ao padrão.
1.5 DESENVOLVIMENTO HISTÓRICO
Durante seus mais de 50 anos de vida, computadores se tornaram o exemplo perfeito 
da conveniência moderna. Esforços de memória fazem relembrar os dias de esteno-
grafia, papel carbono e mimeógrafos. Às vezes parece que estas máquinas mágicas de 
computação foram desenvolvidas instantaneamente na forma como as conhecemos 
hoje. Mas o caminho do desenvolvimento dos computadores é pavimentado com des-
cobertas acidentais, pressão comercial e ideias extravagantes. Ocasionalmente, com-
putadores podem mesmo ter melhorado por meio de sólidas práticas de engenharia! 
Apesar de todas as guinadas, voltas e becos tecnológicos sem saída, os computadores 
têm evoluído num ritmo que desafia a compreensão. Somente quando tivermos visto 
de onde viemos poderemos apreciar totalmente onde estamos hoje.
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1.5 Desenvolvimento Histórico � 49
Nas seções que seguem, dividimos a evolução de computadores em gerações, 
cada geração sendo definida pela tecnologia usada para construir a máquina. Forne-
cemos datas aproximadas para cada geração somente como referência. Existe pouca 
concordância entre os especialistas sobre as datas exatas de início e fim de cada época 
tecnológica.
Cada invenção reflete a época em que foi feita, de modo que se pode imaginar 
se isso teria sido chamado de computador se tivesse sido inventado no final dos anos 
1990. Quanta computação atualmente vemos saindo das caixas misteriosas pousa-
das sobre ou abaixo de nossas escrivaninhas? Até recentemente, computadores nos 
serviam somente realizando manipulações matemáticas alucinantes. Não mais limi-
tados a cientistas de jaleco branco, os computadores atuais nos ajudam a escrever 
documentos, a manter contato através do globo com pessoas queridas e a fazer nossas 
comprinhas. Computadores empresariais modernos gastam somente uma minúscula 
parcela de seu tempo fazendo cálculos contábeis. Seu principal objetivo é dar aos 
usuários generosas informações estratégicas para obter vantagens competitivas. Será 
que a palavra computador se tornou inadequada? Um anacronismo? Como, então, 
poderíamos chamá-los por outro nome que não computadores?
Não conseguimos apresentar a história completa de computadores em poucas 
páginas. Livros inteiros têm sido escritos sobre este assunto e mesmo eles fazem seus 
leitores desejar mais detalhes. Se seu interesse foi aguçado, recomendamos a leitura 
de alguns dos livros citados na lista de referências no final deste capítulo.
1.5.1 Geração zero: Máquinas de cálculo mecânicas (1642–1945)
Antes dos anos 1500, um típico homem de negócios europeu usava um ábaco para 
calcular e registrava as cifras resultantes em numerais romanos. Após o sistema de 
numeração decimal ter finalmente substituído os números romanos, diversas pessoas 
inventaram dispositivos para tornar os cálculos decimais ainda mais rápidos e mais 
precisos. Wilhelm Schickard (1592–1635) foi reconhecido como o inventor da primei-
ra calculadora mecânica, o Relógio Calculadora (data exata desconhecida). Este dis-
positivo podia adicionar e subtrair números contendo até seis dígitos. Em 1642, Blaise 
Pascal (1623–1662) desenvolveu uma calculadora mecânica, denominada Pascaline, 
para ajudar seu pai no seu trabalho com impostos. A Pascaline podia fazer adição 
com transporte (vai-um) e subtração. Ela foi provavelmente o primeiro dispositivo 
mecânico de soma realmente usado para objetivos práticos. De fato, a Pascaline foi tão 
bem-concebida que o seu projeto básico ainda estava sendo usado no início do século 
XX, como evidenciado pelo Lightning Portable Adder, em 1908, e pelo Addometer, 
em 1920. Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646–1716), um notável matemático, inven-
tou uma calculadora conhecida como Stepped Reckoner, que podia adicionar, subtrair, 
multiplicar e dividir. Nenhum destes dispositivos podia ser programado ou tinha me-
mória. Eles precisavam de intervenção manual em cada passo de seus cálculos.
Embora máquinas como a Pascaline fossem usadas até o século XX, novos pro-
jetos de calculadoras começaram a emergir no século XIX. Um dos mais ambiciosos 
dentre estes novos projetos era a Máquina Diferencial (Difference Engine) de Charles 
Babbage (1791–1871). Algumas pessoas se referem a Babbage como “o pai da com-
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50 � Capítulo 1: Introdução
putação”. De acordo com a opinião geral, ele foi um gênio excêntrico que nos legou, 
entre outras coisas, a chave mestra e o “pegador de boi,” um dispositivo para empur-
rar boise outros obstáculos móveis para fora do caminho das locomotivas.
Babbage construiu sua Máquina Diferencial em 1822. A Máquina Diferencial 
recebeu este nome porque usava uma técnica de cálculo chamada de método das di-
ferenças. A máquina foi projetada para mecanizar o cálculo de funções polinomiais e 
era, na verdade, uma calculadora, e não, um computador. Babbage também projetou 
uma máquina de propósito geral em 1833, denominada Máquina Analítica. Embora 
Babbage tenha falecido antes de tê-la construído, a Máquina Analítica foi projetada 
para ser mais versátil do que sua antecessora, a Máquina Diferencial. A Máquina 
Analítica teria sido capaz de realizar qualquer operação matemática. Ela incluía mui-
tos dos componentes associados aos computadores modernos: uma unidade aritméti-
ca para realizar cálculos (Babbage se referia a ela como o moinho), uma memória (o 
depósito) e dispositivos de entrada e saída. Babbage também incluiu uma operação 
de desvio condicional onde a próxima instrução a ser executada era determinada pelo 
resultado da operação anterior. Ada, Condessa de Lovelace e filha do poeta Lord 
Byron, sugeriu que Babbage escrevesse um plano de como a máquina deveria calcu-
lar os números. Isto é reconhecido como sendo o primeiro programa de computador, 
e Ada é considerada como sendo a primeira programadora de computadores. Também 
existem rumores de que ele teria sugerido o uso do sistema binário de numeração, em 
vez do sistema decimal, para armazenar dados.
Um problema perene que desafia os projetistas de máquinas tem sido a maneira 
de introduzir dados no computador. Babbage projetou a Máquina Analítica para usar 
um tipo de cartão perfurado para entrada e programação. Usar cartões para controlar 
o comportamento de uma máquina não se originou com Babbage, mas sim com um 
de seus amigos, Joseph-Marie Jacquard (1752–1834). Em 1801, Jacquard inventou 
um tear de tecelagem programável que poderia produzir padrões complexos em rou-
pas. Jacquard deu a Babbage uma tapeçaria que havia sido tecida neste tear usando 
mais de 10.000 cartões perfurados. Para Babbage, pareceu natural que, se um tear 
podia ser controlado por cartões, então sua Máquina Analítica também poderia ser. 
Ada expressou seu encanto com esta ideia, escrevendo que “A Máquina Analítica 
tece padrões algébricos da mesma forma que o tear de Jacquard tece flores e folhas”.
O cartão perfurado provou ser o meio mais resistente de fornecer entrada para um 
sistema de computação. A entrada de dados via teclado teve de esperar até que fossem 
feitas mudanças fundamentais na forma como as máquinas de calcular eram construí-
das. Na segunda metade do século XIX a maioria das máquinas usava mecanismos 
com engrenagens, difíceis de integrar com os primitivos teclados porque eles eram 
mecanismos com alavancas. Mas mecanismos com alavancas poderiam facilmente 
perfurar cartões, e mecanismos com engrenagens poderiam lê-los facilmente. Por-
tanto, vários dispositivos foram inventados para codificar e, depois, “tabular” dados 
perfurados em cartões. A mais importante das máquinas de tabulação do final do sé-
culo XIX foi a inventada por Herman Hollerith (1860–1929). A máquina de Hollerith 
foi usada para codificar e compilar os dados do censo de 1890. Este censo foi com-
pletado em tempo recorde, impulsionando as finanças de Hollerith e a reputação de 
sua invenção. Hollerith, mais tarde, fundou uma empresa que se tornaria a IBM. Seu 
cartão perfurado de 80 colunas, o cartão Hollerith, foi uma marca de processamento 
automatizado de dados por mais de 50 anos.
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1.5 Desenvolvimento Histórico � 51
1.5.2 A primeira geração: Computadores com válvulas (1945–1953)
Embora Babbage seja frequentemente chamado de “pai da computação”, suas máqui-
nas eram mecânicas, e não, elétricas ou eletrônicas. Na década de 1930, Konrad Zuse 
(1910–1995) partiu do ponto em que Babbage havia parado e adicionou tecnologia 
elétrica e outras melhorias ao projeto de Babbage. O computador de Zuse, o Z1, usa-
va relés eletromecânicos em vez das engrenagens movidas a manivela de Babbage. O 
Z1 era programável e possuía uma memória, uma unidade aritmética e uma unidade 
de controle. Visto que verbas e recursos eram escassos na Alemanha durante a guerra, 
Zuse usava filmes de cinema descartados em vez de cartões perfurados para a entra-
da. Embora esta máquina tenha sido projetada para usar válvulas, Zuse, que estava 
construindo ele mesmo a sua máquina, não podia arcar com os custos das válvulas. 
Assim, o Z1 corretamente pertence à primeira geração, embora não tivesse válvulas.
Zuse construiu o Z1 na sala da casa de seus pais, em Berlim, enquanto a Alema-
nha estava em guerra com a maior parte da Europa. Felizmente ele não conseguiu 
convencer os nazistas a comprar a sua máquina. Eles não perceberam a vantagem 
tática que tal dispositivo poderia dar a eles. Bombas aliadas destruíram todos os três 
primeiros sistemas de Zuse, O Z1, o Z2 e o Z3. As impressionantes máquinas de Zuse 
não puderam ser refinadas até o final da guerra e foram mais um “beco de evolução” 
na história dos computadores.
Computadores digitais, como os conhecemos hoje, são o fruto do trabalho reali-
zado por diversas pessoas nas décadas de 1930 e 1940. A calculadora mecânica básica 
de Pascal foi projetada e modificada simultaneamente por muitas pessoas; o mesmo 
pode ser dito do moderno computador eletrônico. Não obstante os continuados debates 
sobre quem foi o primeiro a fazer, três pessoas claramente emergem como inventoras 
dos modernos computadores: John Atanasoff, John Mauchly e J. Presper Eckert.
John Atanasoff (1904–1995) recebeu o mérito da construção do primeiro com-
putador totalmente eletrônico. O Atanasoff Berry Computer (ABC) era uma máquina 
binária construída com válvulas. Visto que este sistema foi construído especificamen-
te para resolver sistemas de equações lineares, não podemos considerá-lo um com-
putador de uso geral. Existem, no entanto, algumas características que o ABC possui 
em comum com o computador de uso geral ENIAC (Electronic Numerical Integrator 
and Computer), que foi inventado poucos anos depois. Estas características comuns 
causaram considerável controvérsia a respeito de a quem deveria ser dado o crédito (e 
os direitos de patente) pela invenção do computador eletrônico digital. (O leitor inte-
ressado pode encontrar mais detalhes em um processo bastante volumoso envolvendo 
Atanasoff e o ABC em Mollenhoff [1988].)
John Mauchly (1907–1980) e J. Presper Eckert (1929–1995) foram os dois prin-
cipais inventores do ENIAC, apresentado ao público em 1946. O ENIAC é reconhe-
cido como sendo o primeiro computador digital de uso geral totalmente eletrônico. 
Esta máquina usava 17.468 válvulas, ocupava 1800 metros quadrados de chão, pesava 
30 toneladas e consumia 174 kilowatts de energia. O ENIAC tinha uma capacidade 
de memória de cerca de 1000 bits de informação (cerca de 20 números de 10 dígitos 
decimais) e usava cartões perfurados para armazenar dados.
A visão de John Mauchly de uma máquina de calcular eletrônica nasceu de seu 
interesse ao longo da vida de fazer previsão do tempo matematicamente. Enquanto 
professor de física do Ursinus College, próximo a Filadélfia, Mauchly empregou dú-
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52 � Capítulo 1: Introdução
U.S. Army, 1946
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1.5 Desenvolvimento Histórico � 53
zias de máquinas de somar operadas por estudantes para mastigar montanhas de dados 
que ele acreditava poderem revelar as relações matemáticas existentes por trás dos 
padrões de tempo. Ele percebeu que, se tivesse um poder computacional um pouco 
maior, atingiria o objetivo que parecia estar logo a seu alcance. Em conformidade com 
os esforços de guerra dos aliados e com motivos mais profundos para aprender sobre 
computação eletrônica, Mauchly fez-se voluntário para umcurso rápido em engenha-
ria elétrica na Escola de Engenharia Moore, da Universidade da Pensilvânia. Depois 
de completar este programa, Mauchly tornou-se professor na Escola Moore, onde en-
sinou um jovem e brilhante aluno, J. Presper Eckert. Mauchly e Eckert encontraram 
um interesse mútuo na construção de um dispositivo eletrônico de cálculo. A fim de 
assegurar as verbas necessárias para construir sua máquina, eles escreveram uma pro-
posta formal a ser revisada pela escola. Eles retrataram a sua máquina de forma tão 
conservadora quanto possível, a enquadrando como uma “calculadora automática”. 
Embora provavelmente soubessem que computadores poderiam funcionar mais efi-
cientemente usando o sistema binário de numeração, Mauchly e Eckert projetaram seu 
sistema para usar números na base 10, mantendo a aparência de uma enorme máquina 
de somar eletrônica. A universidade rejeitou a proposta de Mauchly e Eckert. Feliz-
mente, o Exército dos Estados Unidos estava mais interessado.
Durante a Segunda Guerra Mundial, o exército tinha uma insaciável necessidade 
de calcular trajetórias dos novos equipamentos balísticos. Milhares de “computado-
res” humanos foram empregados diuturnamente para trabalhar na aritmética requeri-
da por estas tabelas balísticas. Compreendendo que um dispositivo eletrônico poderia 
encurtar o cálculo de tabelas balísticas de dias para minutos, o exército liberou fundos 
para o ENIAC. E o ENIAC realmente reduziu o tempo de cálculo de uma tabela, de 
20 horas para 30 segundos. Infelizmente, a máquina não ficou pronta antes do final da 
guerra. Mas o ENIAC mostrou que computadores com válvulas eram rápidos e viá-
veis. Durante a próxima década, sistemas a válvula continuaram a melhorar e foram 
comercialmente bem-sucedidos.
O que é uma válvula?
O mundo conectado que conhecemos hoje nasceu da invenção de 
um dispositivo eletrônico simples denominado tubo de vácuo (va-
cuum tube) pelos americanos e – mais precisamente – válvula (val-
ve) pelos britânicos. Tubos de vácuo devem ser chamados de válvu-
las porque eles controlam o fluxo de elétrons em sistemas eletrônicos 
de forma muito semelhante à que válvulas controlam o fluxo de água 
em sistemas encanados. De fato, alguns tipos de tubos de elétrons 
da metade do século XX não contêm vácuo, sendo eles preenchidos 
com gases condutivos, tal como vapor de mercúrio, que podem for-
necer o comportamento elétrico desejado.
Prato
(Anodo)
Grade de
controle
Catodo
Envelope
(continua)
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54 � Capítulo 1: Introdução
O fenômeno elétrico que faz os tubos funcionarem foi descoberto por Thomas A. Edi-
son em 1883 enquanto ele tentava encontrar maneiras de fazer com que os filamentos 
de suas lâmpadas não queimassem (ou oxidassem) poucos minutos após ser aplicada a 
corrente elétrica. Edison ponderou corretamente que uma maneira de evitar a oxidação do 
filamento seria colocar o filamento no vácuo. Edison não entendeu imediatamente que o ar 
não apenas ajuda a combustão, mas também é um bom isolante. Quando ele energizava os 
eletrodos segurando um novo filamento de tungstênio, o filamento logo se tornava quente e 
queimava como os outros haviam queimado antes dele. Desta vez, entretanto, Edison notou 
que a eletricidade continuava a fluir do terminal negativo aquecido para o terminal positivo 
frio dentro da lâmpada. Em 1911, Owen Willans Richardson analisou este comportamento. 
Ele concluiu que quando um filamento carregado negativamente era aquecido, os elétrons 
“ferviam” como moléculas de água podem ferver para criar vapor. Ele apropriadamente de-
nominou este fenômeno de emissão termoiônica (thermionic emission).
A emissão termoiônica, como Edison a documentou, foi considerada por muitos como 
uma curiosidade elétrica. Mas, em 1905 um antigo assistente britânico de Edison, John 
A. Fleming, viu a descoberta de Edison como algo além de uma novidade. Ele sabia que a 
emissão termoiônica suportava o fluxo de elétrons em apenas uma direção: do catodo com 
carga negativa para o anodo com carga positiva, também chamado de prato. Ele compre-
endeu que este comportamento poderia retificar corrente alternada, isto é, poderia mudar 
a corrente alternada para a corrente contínua que era essencial para a operação adequada 
do equipamento de telégrafo. Fleming usou suas ideias para inventar uma válvula eletrônica, 
mais tarde chamada de tubo diodo (diode tube) ou retificador.
Retificador
�
�
O diodo era bem adequado para mudar de corrente alternada para corrente contínua, 
mas o maior poder do tubo de elétrons ainda estava por ser descoberto. Em 1907, um 
americano chamado Lee DeForest adicionou um terceiro elemento, chamado de grade de 
controle. A grade de controle, ao transportar uma carga negativa, pode reduzir ou evitar o 
fluxo de elétrons do catodo para o anodo de um diodo.
� �
�
� �
�
Carga negativa no
catodo e grade de
controle; positiva no
anodo: elétrons
permanecem perto
do catodo.
Carga negativa no
catodo; positiva na grade
de controle e no anodo:
elétrons viajam do
catodo para o anodo.
Quando DeForest patenteou seu dispositivo, ele o denominou audion tube. Mais tarde, 
ele tornou-se conhecido como triodo. O desenho a seguir mostra o símbolo esquemático 
para o triodo.
(continua)
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1.5 Desenvolvimento Histórico � 55
1.5.3 A segunda geração: Computadores transistorizados (1954–1965)
A tecnologia de válvulas da primeira geração não era muito confiável. De fato, alguns 
críticos do ENIAC acreditavam que o sistema nunca iria funcionar porque as válvulas 
queimariam mais rápido do que poderiam ser substituídas. Embora a confiabilidade 
do sistema não fosse tão ruim quanto os pessimistas previam, os sistemas a válvulas 
frequentemente passavam mais tempo sem funcionar do que funcionando.
Um triodo pode atuar tanto como uma chave quanto como um 
amplificador. Pequenas alterações na carga da grade de controle 
podem causar alterações muito maiores no fluxo de elétrons entre 
o catodo e o anodo. Portanto, um sinal fraco aplicado na grade 
resulta em um sinal muito mais forte na placa de saída. Uma carga 
negativa suficientemente forte aplicada na placa interrompe a saída 
dos elétrons do catodo.
Grades de controle adicionais são algumas vezes adicionadas 
ao triodo para permitir um controle mais preciso do fluxo de elétrons. Tubos com duas gra-
des (quatro elementos) são chamados tetrodos; tubos com três grades são denominados 
pentodos. Triodos e pentodos são os tubos mais comumente usados em comunicações e 
aplicações de computadores. Frequentemente, dois ou três triodos ou pentodos podem ser 
combinados em um invólucro de modo que possam compartilhar um único aquecedor, redu-
zindo assim o consumo de energia de um determinado dispositivo. Estes últimos dispositi-
vos eram chamados de tubos “miniatura” porque muitos mediam cerca de 2 polegadas (5 
cm) de altura e meia polegada (1,5 cm) de diâmetro. Diodos, triodos e pentodos de tama-
nho normal equivalentes eram somente um pouco menores 
do que o bulbo de uma lâmpada doméstica.
Válvulas não eram muito adequadas para construir com-
putadores. Mesmo um sistema de computação a válvulas 
mais simples exigia milhares de tubos. Enormes quantidades 
de energia elétrica eram necessárias para aquecer os cato-
dos desses dispositivos. Para evitar derretimento, este calor 
tinha que ser removido do sistema o mais rapidamente pos-
sível. O consumo de energia e a dissipação de calor podiam 
ser reduzidos fazendo os aquecedores de catodos funciona-
rem a baixa voltagem, mas isto reduzia a já lenta velocidade 
de chaveamento do tubo. Apesar de suas limitações e do 
grande consumo de energia, sistemas de computação a válvulas, tanto analógicos quanto 
digitais, serviam a seus objetivos por muitos anos e formaram a base arquitetônica de 
todos os modernos sistemas de computação.
Embora décadas tenham decorrido desde que o último computador a válvulafoi fabri-
cado, válvulas ainda são usadas em amplificadores de áudio. Estes amplificadores “high-end” 
são os favoritos dos músicos, que acreditam que esses tubos fornecem um som ressonante e 
agradável inatingível pelos dispositivos de estado sólido.
Catodo
GradeFilamento
Anodo
(placa)
Diodo Triodo
Tetrodo Pentodo
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56 � Capítulo 1: Introdução
Em 1948, três pesquisadores do Bell Laboratories – John Bardeen, Walter Brat-
tain e William Shockley – inventaram o transistor. Esta nova tecnologia não apenas 
revolucionou dispositivos como televisões e rádios, mas também impulsionou a in-
dústria de computadores para uma nova geração. Visto que transistores consomem 
menos energia do que válvulas, são menores e trabalham com mais confiabilidade, os 
circuitos de computadores consequentemente se tornaram menores e mais confiáveis. 
Apesar do uso de transistores, os computadores desta geração ainda eram grandes e 
bastante caros. Em geral, somente universidades, governos e grandes empresas pode-
riam justificar tais custos. Todavia, muitos fabricantes de computadores emergiram 
nesta geração; IBM, Digital Equipment Corporation (DEC) e Univac (agora Unisys) 
dominaram a indústria. A IBM comercializou o 7094 para aplicações científicas e o 
1401 para aplicações comerciais. A DEC estava ocupada fabricando o PDP-1. Uma 
empresa fundada (mas logo vendida) por Mauchly e Eckert construiu os sistemas 
Univac. O mais bem-sucedido sistema Unisys desta geração pertencia à série 1100. 
Outra empresa, a Control Data Corporation (CDC), sob a supervisão de Seymour 
Cray, construiu o CDC 6600, o primeiro supercomputador do mundo. O CDC 6600, 
de 10 milhões de dólares, podia executar 10 milhões de instruções por segundo, usava 
palavras de 60 bits e tinha uma assombrosa memória principal de 128 k palavras.
O que é um transistor?
O transistor, abreviatura de transfer resistor (resistor de transfe-
rência), é uma versão em estado sólido de um triodo. Não existe 
uma tal versão em estado sólido para o tetrodo ou para o pentodo. 
Elétrons se comportam melhor em um meio sólido do que no vazio 
aberto de um tubo de vácuo, de modo que não existe necessidade de 
grades de controle extras. Tanto o germânio (germanium) quanto o 
silício (silicon) podem ser o “sólido” básico usado nestes dispositivos 
de estado sólido. Em sua forma pura, nenhum destes elementos é um 
bom condutor de eletricidade, mas quando eles são combinados com 
pequenas quantidades de elementos que são seus vizinhos na Tabela 
Periódica de Elementos, eles conduzem eletricidade de uma maneira 
efetiva e facilmente controlável.
O alumínio (aluminum) e o gálio (gallium) po-
dem ser encontrados à esquerda do silício e do 
germânio. Uma vez que se situam à esquerda do 
silício e do germânio, eles possuem um elétron a 
menos na sua camada externa de elétrons, ou va-
lência. Assim, se você adicionar uma pequena 
quantidade de alumínio ao silício, o silício adquire 
um pequeno desequilíbrio em sua camada externa 
de elétrons e, portanto, atrai elétrons de qualquer polo que tenha um potencial negativo 
(um excesso de elétrons). Quando modificados (ou dopados) desta maneira, o silício e o 
germânio se tornam materiais do tipo P.
Emissor
Base
Coletor
(continua)
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1.5 Desenvolvimento Histórico � 57
Similarmente, se adicionarmos um pouco de boro (boron), arsênio (arsenic) ou gálio 
(gallium) ao silício, teremos elétrons extras nas valências de cristais de silício. Isto nos forne-
ce um material do tipo N. Uma pequena quantidade de corrente irá fluir através do material 
do tipo N se providenciarmos um lugar para os elétrons fracamente ligados do material do 
tipo N. Em outras palavras, se aplicarmos um potencial positivo a um material do tipo N, 
os elétrons irão fluir do polo negativo para o polo positivo. Se os pólos forem invertidos, 
isto é, se aplicarmos um potencial negativo ao material do tipo N e um potencial positivo 
ao material do tipo P, nenhuma corrente irá fluir. Isto significa que podemos fazer um diodo 
de estado sólido a partir de uma simples junção de materiais dos tipos N e P. O triodo de 
estado sólido, o transistor, consiste de três camadas de material semicondutor. Ou uma fatia 
de material do tipo P é colocada entre duas outras do tipo N, ou uma fatia de material do 
tipo N é colocada entre duas de material do tipo P. A primeira é chamada de transistor NPN 
e a segunda de transistor PNP. A camada interna do transistor é chamada de base; as outras 
duas camadas são chamadas de coletor e de emissor.
A figura abaixo mostra como a corrente flui através de transistores NPN e PNP. A base 
de um transistor funciona da mesma forma que a grade de controle em um tubo triodo: 
pequenas alterações na corrente da base de um transistor resultam em um grande fluxo de 
elétrons do emissor para o coletor.
Um transistor de componentes discretos é 
mostrado em um encapsulamento “TO-50” na fi-
gura inicial deste quadro. Existem somente três 
fios (condutores) que conectam a base, o emissor 
e o coletor do transistor ao resto do circuito. 
Transistores não são apenas pequenas válvulas; 
eles também operam mais frios e são muito mais 
confiáveis. Filamentos de tubos de vácuo, como 
filamentos de lâmpadas, funcionam mais quentes 
e em algum momento queimam. Computadores 
que usam componentes transistorizados são naturalmente menores e funcionam em tempe-
raturas menores do que suas válvulas predecessoras. A miniaturização final, entretanto, não 
é realizada pela substituição de triodos individuais por transistores discretos, mas sim colo-
cando circuitos inteiros em um pedaço de silício.
Circuitos integrados, ou chips, contêm centenas 
de milhares de transistores microscópicos. Muitas téc-
nicas diferentes são usadas para fabricar circuitos inte-
grados. Um dos métodos mais simples envolve a cria-
ção de um circuito usando software de projeto assistido 
por computador que pode imprimir grandes mapas de 
cada uma das várias camadas de silício que formam o chip. Cada mapa é usado como um nega-
tivo fotográfico onde alterações induzidas por luz em uma substância fotorresistente na super-
fície do chip produz os delicados padrões do circuito quando o chip de silício é imerso em uma 
solução química que limpa as áreas expostas do silício. Esta técnica é chamada de fotomicroli-
tografia (photomicrolithography). Após completar a gravação, uma camada de material do 
tipo N ou de material do tipo P é depositada na superfície rugosa do chip. Esta camada é então 
Grande saída
de corrente
Fonte de elétrons
Uns poucos
elétrons
retirados
Uns poucos
elétrons
adicionados
+–
N
N
P
Coletor
Base
N
N
P
Emissor Contatos
(continua)
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58 � Capítulo 1: Introdução
1.5.4 A terceira geração: Computadores com circuitos integrados 
(1965–1980)
A verdadeira explosão no uso de computadores veio com a geração de circuitos inte-
grados. Jack Kilby inventou o circuito integrado (CI), ou microchip, feito com ger-
mânio. Seis meses depois, Robert Noyce (que também havia trabalhado em projeto 
de circuitos integrados) criou um dispositivo similar usando silício em vez de germâ-
nio. Este é o chip de silício sobre o qual foi construída a indústria de computadores. 
Os CIs pioneiros permitiam que dezenas de transistores existissem em um único chip 
de silício que era menor do que um transistor simples em “componente discreto”. Os 
computadores se tornaram mais rápidos, menores e mais baratos, trazendo imensos 
ganhos ao poder de processamento. A família de computadores IBM System/360 es-
tava entre os primeiros sistemas disponíveis comercialmente que foram construídos 
inteiramente com componentes de estado sólido. A linha 360 de produtos também 
foi a primeira da IBM a oferecer compatibilidade entre todas as máquinas da família, 
significando que todas usavam a mesmalinguagem simbólica. Usuários de máquinas 
pequenas podiam migrar para sistemas maiores sem reescrever todo o seu software. 
Este foi um novo e revolucionário conceito na época.
A geração CI também viu a introdução de tempo compartilhado e multiprogra-
mação (a habilidade de mais de uma pessoa usar o computador ao mesmo tempo). A 
multiprogramação, por sua vez, necessitou a introdução de novos sistemas operacio-
nais para esses computadores. Minicomputadores de tempo compartilhado tais como 
o PDP-8 e o PDP-11 da DEC, tornaram a computação mais acessível a pequenas 
empresas e universidades. A tecnologia de CI também permitiu o desenvolvimento 
de supercomputadores mais poderosos. Seymour Cray usou o que havia aprendido 
durante a construção do CDC 6600 e iniciou a sua própria empresa, a Cray Resear-
ch Corporation. Esta empresa produziu vários supercomputadores, iniciando com o 
Cray-1, de 8 milhões de dólares, em 1976. O Cray-1, em forte contraste com o CDC 
6600, podia executar mais de 160 milhões de instruções por segundo e suportava 8 
megabytes de memória. Ver a Figura 1.2 para uma comparação de tamanhos de vál-
vulas, transistores e circuitos integrados.
1.5.5 A quarta geração: Computadores VLSI (1980–????)
Na terceira geração de evolução eletrônica, vários transistores foram integrados em 
um chip. À medida que as técnicas de fabricação e as tecnologias de chip avança-
ram, um número crescente de transistores foram empacotados em um chip. Agora 
tratada com uma substância fotorresistente, exposta à luz e gravada como a camada antes dela. 
Este processo continua até que todas as camadas tenham sido gravadas. Os picos e vales de 
material N e de material P resultantes formam componentes eletrônicos microscópicos, incluin-
do transistores, que se comportam como outras versões maiores feitas com componentes dis-
cretos, exceto pelo fato de que funcionam muito mais rápido e consumem uma pequena fração 
da potência.
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