Aula 03 - Organização e Arquitetura de Computadores

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Organização e Arquitetura de Computadores 
Universidade Cruzeiro do Sul
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Primeira Geração
Válvulas (1945-1955)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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O tubo de vidro na ilustração possui um terminal positivo e um negativo (o cátodo e o ânodo) separados por uma grade de fios.
Os elétrons do cátodo são atraídos pelo ânodo e fazem uma corrente de elétrons passar através da válvula. 
O fluxo natural dos elétrons negativos para o terminal positivo é intensificado de duas maneiras: o cátodo se aquece até a incandescência e sua superfície é tratada com um produto químico especial. 
A grade de controle está situada entre o cátodo e o ânodo e geralmente não interfere no movimento dos elétrons. Mas, quando uma carga negativa é aplicada à grade, os elétrons são repelidos e não atingem o ânodo. 
A força repulsora da grade supera a força de atração do ânodo e o fluxo dos elétrons cessa. A corrente é interrompida e o interruptor se desliga. 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Computadores Eletrônicos
Principal estímulo – Segunda Guerra Mundial.
Enigma 
“O orgulho alemão”
1932 - Marian Rejewski Codebreaker polonês desvenda o segredo dos rotores.
1939 – Ingleses aprendem a decodificar as mensagens. Problema – dificuldade de decodificação.
Solução - COLOSSUS
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Colossus (Alan Turing, operacional em 1943)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Colossus
Considerado o primeiro computador eletrônico digital construído no mundo.
Características:
Desenvolvido com a tecnologia de válvulas.
Capaz de processar cerca de 5 mil caracteres por segundo.
Capaz de quebrar o código da segunda geração de máquinas ENIGMA. 
No final da guerra, dez Colossus em operação constante permitiam que os ingleses soubessem melhor que o comando alemão onde se encontravam seus submarinos. 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Outra conseqüência da guerra
Cientistas americanos trabalham no desenvolvimento de máquinas de computação.
Objetivo – calcular tabelas de direção de tiro para auxiliar na pontaria da artilharia americana.
Solução – ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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ENIAC
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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ENIAC
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Características do ENIAC (A última grande calculadora)
3 anos para ser construído 
Possuía:
18.000 válvulas (aproximadamente)
70.000 resistências, 
10.000 capacitores, 
1.500 relés 
6.000 comutadores manuais. 
500.000 conexões de solda 
30 toneladas de peso 
5,5 m de altura 
25 m de comprimento 
150 m² de área 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Características do ENIAC (A última grande calculadora)
Acionamento: motor equivalente a dois potentes motores de carros de quatro cilindros, enquanto um enorme ventilador refrigerava o calor produzido pelas válvulas. 
Consumo: 150 kW ao produzir o calor equivalente a 50 aquecedores domésticos.
Arquitetura do ENIAC: composta de 20 registradores (cada um capaz de armazenar um número decimal de 10 dígitos)
Programação: através de fios e pinos (como painel telefônico, usando 6.000 chaves)
Executava 5000 adições/subtrações ou 300 multiplicações por segundo
Para programar demorava 1 ou 2 dias 
Grande limitação: capacidade de armazenamento.
Evolução dos Computadores 
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Conclusão do ENIAC (1946) – inútil para os propósitos originais.
Sucessoras: EDSAC (1949), JOHNIAC, ILLIAC, MANIAC, WEIZAC.
Outra invenção do construtores do ENIAC (Eckert e Mauchley) – EDVAC (Electronic Discret Variable Automatic Computer).
John von Neumann – versão própria do EDVAC – Máquina IAS.
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30 June 1945 – 
John von Neuman 
(consultor do 
projeto ENIAC)
Criou o conceito de“programa armazenado” 
Criou o conceito de operações com número binário
Desenvolveu a lógica dos circuitos
Denominação atual da máquina proposta – Máquina de Von Neumann
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Máquina de Von Neumann
Componentes básicos
Memória
Unidade Aritmética Lógica
Unidade de controle
Dispositivos de entrada/saída
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A máquina original de Von Neumann
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Características da Máquina de Von Neumann
Aplicação: Máquina IAS (Institute of Advanced Studies – Princeton)
Memória
4.096 palavras de 40 bis (valores possíveis: 0 e 1)
Cada palavra armazenava 2 instruções de 20 bits ou um número de inteiro com sinal de 40 bits
Instrução: 8 bits – tipo da instrução, 12 bits – especificar uma das 4096 palavras de memória.
Unidade aritmética lógica 
Registrador especial de 40 bits – acumulador
Não processava números reais
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MIT desenvolve o Whirlwind I
Palavra de 16 bits. 
Projetado para controle de processos em tempo real.
Projeto levou ao invento das memórias de núcleos magnéticos e ao primeiro minicomputador comercial.
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IBM
Início – produzir perfuradoras de cartão e máquinas mecânicas para separar cartões.
IBM 701 (2048 palavras de 36 bits, duas instruções por palavra.
IBM 704 – (4 K de memória, instruções de 36 bits, hardware para processamento de números em ponto flutuante.
1958 – Produção da última máquina a válvula (IBM 709).
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1o computador de grande porte da IBM
 Usado na guerra da Coréia
IBM 701
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Segunda Geração
Transistores (1955-1965)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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1948 (Bell Labs.) - invenção do Transistor. 
Usando elementos semicondutores, os transistores funcionam como chaves, porém são menores, mais rápidos, não esquentam, duram mais e consomem menos energia que as válvulas. 
O Prêmio Nobel de 1956 foi conferido à equipe cuja pesquisa levou à invenção do transistor. 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Transistor passou a ser um componente básico na construção de computadores e apresentava as seguintes vantagens:
aquecimento mínimo 
Baixo consumo de energia 
mais confiável e veloz do que as válvulas 
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Primeiro Computador transistorizado (MIT)
TX-0 (Transistorized eXperimental computer 0)
DEC
PDP-1 (4 K palavras de 8 bits e clock com período de 5 s, preço: 120.000 dólares).
 PDP-8 (máquina de 12 bits, preço: 16.000 dólares, barramento único.
IBM (Início do domínio)
7090, 7094 (clock com período de 2 s, memória de 32 K palavras de 36 bits cada). 
1401 (uso comercial).
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Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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CDC (Control Data Corporation)
6600 (alta velocidade, conceito de processamento paralelo, hardware composto de um conjunto de pequenos processadores), denominação atual: Supercomputadores.
Sucessores do 6600: 7600 e Cray-1
Burroughs B5000
Máquina construída com o objetivo de rodar programas escritos em Algol 60. 
Fortalecimento do software 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Terceira Geração
Circuitos Integrados (1965-1980)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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1958 - Jack Kilby (Texas Instruments) - construção do primeiro circuito integrado, contendo cinco componentes em uma peça de germânio com meia polegada de comprimento e fina como um palito de dente.
Evolução
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Características dos Circuitos Integrados
transistores e outros componentes eletrônicos miniaturizados montados em um único chip;
maior confiabilidade (não tem partes móveis); 
muito menores (equipamento mais compacto e mais rápido pela proximidade dos circuitos);
baixo consumo de energia (miniaturização
dos componentes)
custo de fabricação muito menor.
Primeiros CIs: 10 ou 20 transistores em um chip (SSI - Small-Scale Integration). Final dos anos 60: de 20 a 200 transistores em um chip (MSI - Medium-Scale Integration). Final dos anos 70: até 5000 transistores em um chip (LSI - Large-Scale Integration).
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Família de Máquinas
Implementadas a partir de circuitos integrados, projetada para computação científica e/ou aplicações comercias
Mesma linguagem de montagem e com tamanhos variando dentro de um espectro de preço e desempenho.
Exemplo: IBM System/360 
Multiprogramação, 16 registradores de 32 bits, espaço de endereçamento: 16 Mbytes. 
Avanço das indústrias dos minicomputadores 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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1961: IBM – 
Família IBM/360 
transistorizados
sistema modular
mais poderosos e 
	mais baratos
aceitavam uma grande variedade de periféricos
foram vendidos milhares de unidades no mundo todo dando à IBM a hegemonia absoluta
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Quarta Geração
Integraçao de Circuitos em Escala Muito Alta (1980 - ?)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Década de 1980
VLSI (Very Large Scale Integration)
Diferença significativa: microcomputadores, minicomputadores e computadores de grande porte.
Primeiros microcomputadores (microprocessador 8080)
Apple e Apple II
IBM entra no mercado de microcomputadores – PC da IBM (Sistema Operacional: MS-DOS)
O primeiro computador portátil (Osborne I). 
Estratégia equivocada da IBM – divulgação do projeto – surgimento de CLONES
IBM + Microsoft lançam o sistema operacional OS/2 – fracasso
Microsoft lança Windows (Crise da IBM). 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Apple I
Apple II
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
Osborne I
IBM PC
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Meados da Década de 1980
Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) em substituição a Arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer)
Anos 1990
Processadores Superescalares (execução de várias instruções simultaneamente)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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2002
O Pentium 4 é construído com uma tecnologia de 0,13 micrômetros e possui 55 milhões de transistores. 
O supercomputador japonês Earth Simulator criado pela NEC para simular mudanças no clima do planeta possui 5104 processadores e ocupa uma área equivalente a três quadras de tênis. Seu desempenho esta em torno de 35 teraflops, realiza 35,86 trilhões de cálculos por segundo. 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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"Simulador da Terra" 
Pentium 4 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Tendências
Os grandes computadores caminham para o processamento paralelo. 
O tamanho do grão de processamento será cada vez menor e os processos cada vez mais acoplados. 
O Futuro
Computadores ópticos, Nanotecnologia, Computação biológica, Armazenar bits no spin do átomo?
Vem aí o computador quântico. 
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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“O cérebro humano, de um ponto de vista estritamente funcional, pode ser definido como um sistema complexo de 100 bilhões de neurônios. Para conter o mesmo número de elementos do cérebro, um computador dos anos 40, a fase das válvulas, teria o tamanho de São Paulo. Em fins dos anos 50, com os transistores, bastava um computador com as dimensões do Cristo Redentor. Anos 60: o computador seria como um ônibus. Atualmente, com a aglomeração de alguns milhões de componentes num único chip, cérebro e computador entraram num acordo de dimensões.”
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Modelagem do avanço tecnológico – Lei de Moore
“O software é como um gás” – Lei de Nathan
Durante a década de 70, Gordon Moore, na época o presidente da Intel lançou uma profecia, que dizia que a partir dali o poder de processamento (número de transistores em um CHIP) dobraria a cada 18 meses. 
Evolução dos Computadores –A Fauna Computacional
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Espectro Computacional (Visao Geral)
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Fonte: http://www.dcc.unicamp.br/~ra014864/arqs/trabalhos/Arq-Hist-09.ppt
Exemplos de Famílias de Computadores
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Evolução - Intel
Primeiro: 4004
1ª Geração: 8088 
2ª Geração: 80286
3ª Geração: 80386
4ª Geração: 80486
5ª Geração: Pentium e Pentium MMX
6ª Geração: Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III, Pentium II Xeon, Pentium III Xeon 
7ª Geração: Pentium 4
Novas gerações: IA-64 Itanium
Premissa da Intel: Compatibilidade
Exemplos de Famílias de Computadores
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		 Intel 4004			 Intel 8008
Maiores informações: http://www.sabtudo.hpg.ig.com.br/tecnologia_e_internet/99/Evolucao_Microprocessadores.htm
Exemplos de Famílias de Computadores
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 Intel 8086				Intel 80286
Exemplos de Famílias de Computadores
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		Intel 486DX	 Intel Pentium III
Exemplos de Famílias de Computadores
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Os modernos chips dos computadores devem sua existência ao trabalho de inventores geniais, durante três séculos!
A tendência é que tenhamos cada vez mais dessa rapidez no dia-a-dia. E tudo isso graças a alguns marcos no desenvolvimento tecnológico, tais como a invenção do transistor, do circuito integrado, e do refinamento contínuo da técnicas de construção dos chips.
“É impossível parar” 	(Shmid, 1995) 
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