ArqComp_2012_2_aula01

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Visão geral Perspectiva histórica Mercado de computadores
Arquitetura de computadores
Aula 01
Visão geral e perspectiva histórica
Prof. Marcos E. Barreto
Departamento de Ciência da Computação
Instituto de Matemática
Universidade Federal da Bahia
2012/2
Prof. Marcos E. Barreto DCC – IM – UFBA (1/33)
Visão geral Perspectiva histórica Mercado de computadores
Roteiro
1 Visão geral
2 Perspectiva histórica
3 Mercado de computadores
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Visão geral Perspectiva histórica Mercado de computadores
Contextualização
Questões relacionadas
1 Grande variedade de produtos que podem ser
considerados sistemas computacionais, desde pequenos
processadores até supercomputadores.
2 Ritmo acelerado das mudanças tecnológicas nos
componentes usados para a construção de computadores.
3 Diferentes possibilidades de emprego dos computadores,
o que resulta em diferentes focos de projeto:
desempenho
alta disponibilidade (confiabilidade)
baixo consumo
mobilidade
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Arquitetura do computador
Projetista deve:
determinar requisitos importantes para um novo
computador
projetar computador para maximizar o desempenho
obedecer as restrições de custo, potência e disponibilidade
Conjunto de etapas:
projeto do conjunto de instruções (ISA)
organização funcional
hardware (projeto lógico)
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Arquitetura do computador (2)
Organização: sistema de memória, interconexão de memória
e projeto interno da CPU (aritmética, lógica, desvios e
transferências).
Ex: Intel 4 e AMD Opteron 64: mesmo ISA, diferentes
esquemas de pipeline e cache.
Hardware: projeto lógico detalhado e tecnologia de
empacotamento.
Ex: Intel Core i3, i5 e i7.
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Sistema computacional
Conjunto de elementos interconectados definido em
termos de estrutura e função.
Apresenta organização hierárquica:
sistema computacional: processador, memória e
dispositivos de E/S.
processador: unidade de controle, unidade de execução,
unidade lógica aritmética e registradores.
unidade de controle: registradores, sinais de controle,
memória de controle e lógica de sequência de
microinstrução.
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Organização hierárquica
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Arquitetura x Organização
Arquitetura
Aspectos visíveis ao programador, de impacto direto na
execução de programas.
Exemplos: conjunto de instruções, número de bits para
representação de dados, mecanismos de E/S e técnicas de
endereçamento de memória.
Organização
Detalhes do hardware transparentes ao programador.
Unidades operacionais e suas interconexões.
Exemplos: sinais de controle, tecnologia de memória
utilizada, interface entre processador e periféricos etc.
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Função x Estrutura
Estrutura: modo como os componentes são
inter-relacionados.
Função: operação individual de cada componente como
parte do sistema.
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Função
Quatro funções básicas:
Processamento de dados.
Armazenamento de dados.
Movimentação de dados.
Controle.
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Estrutura
Quatro componentes básicos:
Unidade central de processamento (CPU).
=> controle e processamento.
Memória principal.
=> armazenamento.
Módulo de E/S.
=> movimentação de dados.
Mecanismo de interconexões.
=> comunicação.
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Evolução das arquiteturas de computadores
Período de aproximadamente 70 anos (1945 em diante)
1985 (U$ 1 milhão) => 2012 (U$ 500)
Causas: avanços tecnológicos e inovação no projeto
1945-1970: aumento de 25% ao ano no desempenho
1970 (microprocessador): aumento de 35% ao ano
Eliminação virtual de programação Assembly e existência
de SOs padronizados
1980: surgimento das arquiteturas RISC
paralelismo em nível de instrução (ILP)
uso de memória cache
ISA das arquiteturas anteriores precisaram ser traduzidas
para RISC
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Evolução das arquiteturas de computadores (2)
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Evolução das arquiteturas de computadores (3)
1986-2002: 16 anos de crescimento constante no
desempenho a uma taxa anual acima de 50%.
Efeitos: aumento considerável da capacidade de
processamento disponível ao usuário; predominância de
computadores baseados em microprocessadores.
Projeto de computadores com foco em inovação
arquitetônica e uso eficiente das tecnologias.
2002: processadores com desempenho 7 vezes maior do
que teria sido alcançado contando-se somente com a
tecnologia.
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Evolução das arquiteturas de computadores (4)
2002 em diante: aumento de somente 20% ao ano.
Causas: dissipação máxima de potência de chips
resfriados a ar; pequeno ILP restante a ser explorado;
latência de memória.
2004: fim dos uniprocessadores => Intel + Sun + IBM:
multiprocessadores.
ILP dá lugar ao paralelismo em nível de thread (TLP) e de
dados (DLP).
2009 em diante: arquiteturas híbridas (multicore + GPUs).
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Evolução das arquiteturas de computadores (5)
Fatores relacionados à evolução dos computadores:
Diminuição no tamanho dos componentes.
Aumento no tamanho (capacidade) da memória.
Aumento na capacidade e na velocidade dos mecanismos
de E/S.
Aumento na velocidade dos processadores.
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Evolução das arquiteturas de computadores (6)
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Gerações de computadores — abordagem
tecnológica
Primeira geração (1945/46 – 1957/59)
Circuitos eletrônicos baseados em válvulas
(aproximadamente 20.000).
Ausência de sistema operacional: instruções inseridas
manualmente, em linguagem de máquina.
Características: pouco confiáveis, lentos (2K RAM,
velocidade de milésimo de segundo), quilômetros de fios e
enormes sistemas de refrigeração.
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Gerações de computadores
Primeira geração (1945/46 – 1957/59) - Exemplos
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer):
1943 – 1946 => 1955
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Gerações de computadores
Primeira geração (1945/46 – 1957/59) - Exemplos (2)
MARK I (IBM + Harvard + Marinha americana): 1944
(17m x 2,5m => 5 toneladas)
EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer): 1945
IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): 1946 –
1952
Máquina de von Neumann
UNIVAC (Universal Automatic Computer) e UNIVAC II:
1950 e 1958.
(No Brasil, Univac 1105 chegou em 1961 para o IBGE)
IBM (InternationalBusiness Machines) 701 e 702: 1953 e
1955
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Gerações de computadores
Segunda geração (1959 – 1964)
Baseados em transistores e circuitos impressos.
Características: mais rápidos (microsegundos), de menor
custo e tamanho.
Uso de sistemas operacionais e linguagens de
programação de alto nível, processamento em lote.
Exemplos:
Máquinas da NCR e da RCA.
IBM: IBM 1401 (comercial) e série 7000 (destaque para o
IBM 7094 - científico).
DEC (Digital Equipment Corporation): série PDP.
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Gerações de computadores
Terceira geração (1964/65 – 1970/71)
Surgimento dos circuitos integrados em 1958.
=> microeletrônica
Integração em escala pequena (SSI - 10 elementos/chip) e
média (MSI - 100 elementos/chip).
Características: maior compactação, menor custo, maior
velocidade (nanosegundos), armazenamento em cartão
perfurado ou fitas.
Uso de SO avançados e suporte a rede, linguagens
BASIC, Pascal e C.
Exemplos:
IBM System 360 e 370 (rompimento do modelo de
arquitetura e organização usado até então pela IBM).
DEC PDP-8 (considerado um “minicomputador”).
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Gerações de computadores
Quarta geração (a partir de 1970)
Aperfeiçoamento das tecnologias existentes.
Integração em escala grande (LSI - 5.000 elementos/chip),
muito grande (VLSI - 50.000 elementos/chip) e ultragrande
(ULSI - 100.000 elementos/chip).
Características: otimização da máquina, maior grau de
miniaturização, confiabilidade, velocidade
(nanosegundos), capacidade (gigaflops e teraflops).
Uso de memória semicondutora e surgimento do
microprocessador (Intel 4004).
Exemplos:
Intel 4004 e 8080, IBM 3090, Motorola 680xx, Intel x86,
Apple Macintosh e Cray 1 (primeiro supercomputador).
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Gerações de computadores — abordagem generalista
1960
Mainframes de alto custo (U$ milhões) armazenados em
salas inteiras com vários operadores.
Aplicações: processamento de dados comerciais e
computação científica em larga escala.
1970
Minicomputador, usado principalmente em laboratórios
científicos.
=> principal característica: tempo compartilhado.
Supercomputador: alto desempenho para
computacomputação científica.
=> principal característica: pioneirismo em inovações
tecnológicas.
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Gerações de computadores — abordagem generalista
1980
Computador desktop baseado em microprocessadores
(PCs e estações)
=> principal característica: uso individual (no lugar de
tempo compartilhado).
Servidores
=> principal característica: serviços em maior escala,
poder de processamento e armazenamento.
1990
Internet e WWW, dispositivos portáteis (PDAs), consumo
de eletrônica de alto desempenho (ex. videogames,
internet pela TV etc).
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Gerações de computadores — abordagem generalista
2000
Popularização dos celulares
Sistemas embarcados
2010
Computação em nuvem, computação pervasiva
Unidades de processamento gráfico (GPUs)
Internet das coisas
Computação verde
Não esquecer:
Robótica
Computação quântica
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Classes de computadores
Recurso Desktop Servidor Embarcado
Preço do sistema $500 - $5.000 $5.000 - $5.000.000 $10 - $100.000
Preço do módulo $50 - $500 $200 - $10.000 $0,01 - $100
de microprocessador (por processador) (por processador) (por processador)
Questões críticas preço-desempenho, throughput, preço, consumo
do projeto desempenho gráfico escalabilidade, de energia,
disponibilidade desempenho da
aplicação
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Classes de computadores (2)
Desktops
Maior mercado financeiro, contendo desde sistemas
básicos até estaçãoes altamente configuradas.
Otimização da relação preço X desempenho.
Ampla gama de aplicações e benchmarks.
Cenário atual: aplicações centradas na Web.
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Classes de computadores (3)
Servidores
Oferta de serviços de maior escala e com maior segurança.
Grande foco em serviços Web.
Nas empresas, servidores substituem os mainframes
tradicionais.
Características: disponibilidade, escalabilidade e
throughput (desempenho geral).
Supercomputadores
Custo de dezenas de milhões de dólares.
Foco no desempenho para operações em ponto flutuante.
Exemplo: clusters (agregados).
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Classes de computadores (4)
Sistemas embarcados
Ampla gama de dispositivos (eletrodomésticos, máquinas,
equipamentos de rede e portáteis).
Ampla gama de poder de processamento e custo.
Foco principal no preço mínimo para atender a uma
demanda de processamento.
Requisito de desempenho em tempo real.
Focos secundários no baixo consumo de memória e de
potência.
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Classes de computadores (5)
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Classes de computadores (6)
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Referências
William Stallings. Arquitetura e organização de
computadores. 8 ed. São Paulo: Pearson, 2010.
John Hennessy, David Patterson. Arquitetura de
computadores: uma abordagem quantitativa. 4 ed. Rio de
Janeiro: Campus, 2008.
David Patterson, John Hennessy. Organização e projeto
de computadores: a interface hardware/software. 3 ed.Rio
de Janeiro: Elsevier, 2005.
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