Introdução à Arquitetura e Organização de Computadores

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 Universidade Presbiteriana Mackenzie
FCI – Faculdade de Computação e Informática
Organização de Computadores
Introdução
Profa Dra. Daniela Cunha
Introdução
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Introdução
Arquitetura e organização de computadores não é somente para projetistas de máquinas
Usuários informados e preparados de todos os níveis se beneficiam da capacidade de entender ideias centrais e o sentido dos conceitos mais avançados nesse campo
Exemplo: processador 2x GHz não é necessariamente 2x mais veloz que o modelo x GHz
Introdução
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Introdução
Introdução
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Organização x Arquitetura
Organização
todos os aspectos físicos dos sistemas de computação
detalhes de hardware transparentes ao programador 
nos ajuda a responder à pergunta: Como o computador funciona?
exemplo: sinais de controle (como o computador é controlado), métodos de sinalização, tecnologias de memória ...
Introdução
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Organização x Arquitetura
Arquitetura
estrutura e comportamento do sistema de computação
se refere aos aspectos lógicos da implementação do sistema como visto pelo programador
afeta diretamente a execução lógica de programas
atributos de um sistema que são visíveis para o programador
exemplo: conjunto de instruções , códigos de operações, tipos de dados, mecanismos de E/S, técnicas de endereçamento à memória
Introdução
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Organização x Arquitetura
Arquitetura
é a combinação de seus componentes de hardware com a sua arquitetura de conjunto de instruções (ISA)
ISA – Instruction Set Architecture
ISA é a interface combinada entre todo o software executado na máquina e o hardware que o executa
ISA permite que você fale com a máquina
Introdução
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Organização x Arquitetura
definir se um computador deve ou não ter uma instrução de multiplicação constitui uma decisão do projeto da sua ARQUITETURA
definir se a instrução de multiplicação será implementada por uma unidade especial de multiplicação ou por um mecanismo que utiliza repetidamente sua unidade de soma constitui uma decisão do projeto de sua ORGANIZAÇÃO 
Introdução
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Organização x Arquitetura
“Nossa compreensão de arquitetura e organização de computadores nos conduz a um conhecimento mais profundo de computadores e computação – o coração e a alma da ciência de computadores” (Lindaz Null e Julia Lobur)
Introdução
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Principais componentes
é impossível afirmar onde as questões de hardware terminam e as questões de software iniciam 
cientistas da computação projetam algoritmos que são implementados como programas escritos em alguma linguagem de programação
	o que possibilita a execução de um algoritmo? Outro algoritmo
	e um outro algoritmo executa esse algoritmo e assim por diante até que chegue no nível de máquina 
Introdução
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Principais componentes
	e um outro algoritmo executa esse algoritmo e assim por diante até que chegue no nível de máquina 
	nível de máquina pode ser imaginado como um algoritmo implementado em um dispositivo eletrônico
	 os computadores modernos são, na verdade, implementações de algoritmos que executam outros algoritmos 
Introdução
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Principais componentes
essa cadeia de algoritmos aninhados conduz ao 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
O que o princípio não trata é a velocidade com a qual as tarefas equivalentes são realizadas
Introdução
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Principais componentes
hardware de computadores – No nível básico, um computador é um dispositivo que consiste de 3 partes:
processador: interpretar e executar programas
memória: armazenar dados e instruções
mecanismo para transferência de dados de e para o mundo externo
entender as partes componentes você entenderá o que um sistema está fazendo durante todo o tempo e como você pode alterar esse comportamento
Introdução
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Entrando no jorgão
Introdução
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Entrando no jorgão
Introdução
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TRABALHO – Significado dos termos da propaganda 
 entrega: a ser definida (Moodle)
 quais termos são hardware e quais são software
 quais fatores são importantes para sua decisão de comprar um computador
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Entrando no jorgão
Introdução
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Introdução
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Organizações de padronização
IEEE – Institute of Electrical and Electronic Engineers
ITU – International Telecommunications Union
ANSI – American National Standards Institute
ISO – International Organization for Standardization
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Geração zero (1642 - 1945)
máquinas de cálculo mecânico
ábaco
Inventado pelos chineses e utilizado até hoje
operações de soma, subtração, multiplicação e divisão
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Geração zero (1642 - 1945)
máquinas de cálculo mecânico
Máquina de calcular de Pascal (1642)
Blaise Pascal construiu a primeira calculadora que efetivamente funcionava - Pascaline
usava o princípio de engrenagens dentadas acionadas por alavancas e efetuava soma e subtração com oito algarismos 
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Geração zero (1642 - 1945)
máquinas de cálculo mecânico
Roda de Leibniz
alemão Gottfried von Leibniz construiu uma máquina mecânica capaz de realizar as quatro operações básicas 
considerado o pai das calculadoras de bolso
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Geração zero (1642 - 1945)
máquinas de cálculo mecânico
Cartões perfurados (1801)
Joseph Marie Jacquard (francês) introduziu o conceito de armazenamento de informação em placas perfuradas , não para processamento de dados, mas sim para a tecelagem
Uma das primeiras máquinas programáveis
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Geração zero (1642 - 1945)
máquinas de cálculo mecânico
Máquina analítica (1833)
construída por Charles Baddage, tinha 4 componentes : memória, unidade de computação, unidade de E/S
precisava de um software – 1º programador (mulher) Ada Lovelace
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Primeira geração (1945 - 1953)
computadores com válvulas
pouca confiabilidade
baixa velocidade
custo elevado
grande quantidade de energia consumida
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Primeira geração (1945 - 1953)
computadores com válvulas
Collossus (1943)
construído pelo governo britânico (Alan Turing) com o objetivo de decifrar códigos secretos (manteve-se secreto por 30 anos)
considerado o primeiro computador eletrônico digital no mundo
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Primeira geração (1945 - 1953)
computadores com válvulas
ENIAC (1946) – Eletronic Numerical Integrator and Computer
construído com o objetivo de auxiliar o exército americano no processo de mira de sua artilharia pesada
para programar o ENIAC era necessário ajustar 6000 chaves e conectar um número imenso de cabos
características
17.468 válvulas
5,5 m de altura / 25 m de comprimento
pesava 30.000 Kg
consumia 140.000 W
500.000 conexões de solda
180 m2 de área construida
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Primeira geração (1945 - 1953)
computadores com válvulas
Máquina EDSAC – Electronic Discrete Variable Automatic Computer
máquina binária e não mais decimal (como o ENIAC)
usava programa armazenado
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Segunda geração (1954 - 1965)
computadores transistorizados
computadores ficam menores e o número de falhas e a dissipação de calor foram reduzidos
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Segunda geração (1954 - 1965)
computadores transistorizados
TRADIC (1955)
Transistor Digital Computer 
primeiro computador transistorizado feito pela Bell Laboratories
800 transistores 
consumia 100 W
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Segunda geração (1954 - 1965)
computadores transistorizados
IBM 7094 (1959)
clock: 500 KHz
memória: 32 K palavras de 36 bits cada
marca o início do domínio da 
IBM
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Segunda geração (1954 - 1965)
computadores transistorizados
PDP-1 (1960)
fabricado pela DEC (Digital Equipment Corporation)
4 K de palavras de 18 bits
clock: 200 KHz
preço (acessível para época): 
	U$ 120.000,00
vinha com monitor
necessário apenas um operador
percussor dos minicomputadores
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Terceira geração (1965 - 1980)
computadores com circuitos integrados
engenheiros da Texas Instruments desenvolveram o CI (circuito integrado) – conhecidos como pastilhas e chips
chips incorporavam várias dezenas de transistores já interligados formando circuitos eletrônicos complexos
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Terceira geração (1965 - 1980)
computadores com circuitos integrados
IBM System / 360 (1964)
projetado tanto para computação científica quanto para rodar aplicações comerciais
não é um único computador mas sim 
	uma familia
clock varia entre 1 a 4 MHz
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Terceira geração (1965 - 1980)
computadores com circuitos integrados
Escalas de integração de CIs
SSI – Small Scale of Integration : menos de 10 elementos por chip
MSI – Medium Scale of Integration : 10 a 100 elementos por chip
LSI – Large Scale of Integration : 100 a 5.000 elementos por chips
VLSI – Very Large Scale of Integration : 5.000 a 50.000 elementos por chip
ULSI – Ultra Large Scale of Integration : mais de 100.000 elementos por chip
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Terceira geração (1965 - 1980)
computadores com circuitos integrados
Intel 4004 (1971): 2250 transistores
Altair 8800 (1975): termo “computador pessoal” usado pela 1º vez
Apple I (1976): processador 6800 da Motorola (ao invés do popular 8080 da Intel – devido ao custo)
Motorola 68000 (1976): velocidade de processamento muito superior a seus concorrentes
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Quarta geração (1980 – ????)
computadores VLSI
IBM PC (1980): 
introduziu seu PC
1º PC tinha clock de 4,77 MHz e usava MS-DOS (mais vendido de toda a história)
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Quarta geração (1980 – ????)
computadores VLSI
Osborne I (1981)
Adam Osborne completou o 1º computador portátil
pesava 11 Kg e custava $1.795,00
display de 5 polegadas
64 KB de memória, um modem e 2 drives de disquete de 5 ¼ 
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Quarta geração (1980 – ????)
computadores VLSI
Macintosh (1984)
Apple Computer lançou o Macintosh, 1º computador com drive de mouse e com interface gráfica
preço mais acessível U$ 2.500,00
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Quarta geração (1980 – ????)
computadores VLSI
Intel: 8086, 286, 386, 486, Pentium, Pentium 2, Pentium 3, Pentium 4, Core 2 Duo, i7
AMD: K5, K6, K7, Atlhon, Duron, Sempron
Necessidade de dividir CPU em vários núcleos devido a quantidade de transistores por chip que causaram um aquecimento maior que o normal
Intel Pentium ~ 4.000.000 transistores
Intel i7 ~ 781.000.000 transistores
Introdução
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Desenvolvimento histórico
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=slHVnhh9IW0
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&list=ULF3qWg1JBPZg&v=F3qWg1JBPZg
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Lei de Moore
quão pequenos podemos tornar os transistores?
quão densamente podemos empacotar chips?
Introdução
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Desenvolvimento histórico
Lei de Moore
quão pequenos podemos tornar os transistores?
quão densamente podemos empacotar chips?
Introdução
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Ninguém pode dizer ao certo.
Cientistas continuam a frustrar as tentativas de prognóstico
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Desenvolvimento histórico
Lei de Moore
quão pequenos podemos tornar os transistores?
quão densamente podemos empacotar chips?
Gordon Moore, fundador da Intel, em 1965, afirmou que “a densidade de transistores em um circuito integrado irá dobrar a cada ano”
HOJE – A versão atual da predição é geralmente colocada como “a densidade dos chips de silício dobra a cada 18 meses”
Introdução
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Ninguém pode dizer ao certo.
Cientistas continuam a frustrar as tentativas de prognóstico
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Desenvolvimento histórico
Lei de Moore
quão pequenos podemos tornar os transistores?
quão densamente podemos empacotar chips?
Gordon Moore, fundador da Intel, em 1965, afirmou que “a densidade de transistores em um circuito integrado irá dobrar a cada ano”
HOJE – A versão atual da predição é geralmente colocada como “a densidade dos chips de silício dobra a cada 18 meses”
Introdução
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Ninguém pode dizer ao certo.
Cientistas continuam a frustrar as tentativas de prognóstico
Lei de Moore
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Desenvolvimento histórico
Lei de Rock
proposta por Arthur Rock, capitalista da Intel
é um corolário para a Lei de Moore
“o custo de capital de equipamentos para construir semicondutores irá dobrar a cada quatro anos”
Para as duas leis acontecerem os computadores devem mudar para uma tecnologia radicalmente diferente (novos paradigmas de computação)
computação orgânica
supercondução
computação quântica
Introdução
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Classificação – Potência Computacional
Supercomputadores
Mainframes
Servidores
Estações de trabalho
Pessoais
Embutidos
OBS: por que a representação através de uma pirâmide?
Introdução
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Classificação – Potência Computacional
Embutidos
usados em dispositivos de uso específico (automóveis, telefones, câmeras, equipamentos eletrônicos em geral ...)
apresentam desempenho mínimo com o objetivo de apresentar menor custo e menor consumo de energia
usuário não percebe que está usando um computador
Exemplos: computadores on-board nos carros, máquina de lavar, celular, máquina para calibrar pneu ...
Pessoais
portáteis ou desktops
bom desempenho para um único usuário
baixo custo
Introdução
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Classificação – Potência Computacional
Estações de trabalho (workstation)
desktop maior, com mais memória, grande capacidade de E/S e de comunicação, monitores maiores (??) e talvez aplicações de software e sistemas mais avançados
Servidores
computadores para trabalhos de grupos, departamentos, empresas
memória principal maior , armazenamento secundário mais volumoso e grande capacidade de E/S
maior capacidade e velocidade de comunicação
maior confiabilidade
Introdução
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Classificação – Potência Computacional
Mainframes
executa aplicação complexa (“pesada”) ou várias aplicações simples
com todos os seus dispositivos periféricos e equipamentos de suporte, pode ocupar uma sala 
Supercomputadores
fazem parte de pesquisas
armazenamento de dados e processamento de grandes volumes de transações
potência ultrapassa milhões de instruções ou operações de ponto flutuante por segundo (MIPS ou MFLOPS) nos anos 70 (hoje: PICS / PFLOPS)
Introdução
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Classificação – Potência Computacional
Mainframes
executa aplicação complexa (“pesada”) ou várias aplicações simples
com todos os seus dispositivos periféricos e equipamentos de suporte, pode ocupar uma sala 
Supercomputadores
fazem parte de pesquisas
armazenamento de dados e processamento de grandes volumes de transações
potência ultrapassa milhões de instruções ou operações de ponto flutuante por segundo (MIPS ou MFLOPS) nos anos 70 (hoje: PICS / PFLOPS)
Introdução
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TRABALHO (entrega via Moodle) - Top 10 dos supercomputadores
 máximo de 5 páginas (de conteúdo)
 capa / sumário
 referências bibliográficas (normas ABNT)
 grupo de no máximo 3 alunos 
 palavras em inglês em itálico
 espaçamento entre linhas (1 ½)
 fonte arial (10 ou 12)
 margens 2,0
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Modelo de von Neumann
Primeiras máquinas
máquinas de computação
eletrônicas, programar era sinônimo de conectar fios
programar era uma façanha de engenharia elétrica e não um projeto de algoritmo
John von Neumann
computadores com programas armazenados - sistemas de von Neumann os quais usavam arquitetura de von Neumann
Introdução
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Modelo de von Neumann
Arquitetura de máquina com programa armazenado satisfaz pelo menos as seguintes características:
consiste em três sistemas de hardware
UCP – unidade central de processamento
UC – unidade de controle
ULA – unidade lógica e aritmética 
sistema de memória
sistema de E/S
capacidade de executar processamento sequencial de instruções
contém um caminho único entre o sistema de memória principal e a unidade de controle da UCP
Introdução
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Modelo de von Neumann
Introdução
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Modelo de von Neumann
Introdução
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(1) busca a próxima instrução do programa na memória usando o contador de programa para determinar onde a instrução está localizada
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Modelo de von Neumann
Introdução
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(1) busca a próxima instrução do programa na memória usando o contador de programa para determinar onde a instrução está localizada
(2) a instrução é decodificada para uma linguagem que a ULA possa entender
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Modelo de von Neumann
Introdução
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(1) busca a próxima instrução do programa na memória usando o contador de programa para determinar onde a instrução está localizada
(2) a instrução é decodificada para uma linguagem que a ULA possa entender
(3) Qualquer operando de dados requerido para executar a instrução é carregado da memória e colocados em registradores
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Modelo de von Neumann
Introdução
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(1) busca a próxima instrução do programa na memória usando o contador de programa para determinar onde a instrução está localizada
(2) a instrução é decodificada para uma linguagem que a ULA possa entender
(3) Qualquer operando de dados requerido para executar a instrução é carregado da memória e colocados em registradores
(4) ULA executa a instrução e coloca os resultados em registradores ou na memória
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Arquitetura von Neumann modificada
funcionalidades do barramento
Introdução
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Exercícios
Qual a diferença entre organização de computadores e arquitetura de computadores?
Qual a importância do Princípio da Equivalência de Hardware e Software?
Indique 3 componentes básicos de um computador
Qual a missão do IEEE?
Qual a importância do cartão perfurado?
Relacione 2 fatores motivadores do desenvolvimento de computadores
Qual é o motivo de um transistor ter representado uma grande melhoria sobre o tubo de vácuo (válvula)?
O que faz um circuito integrado se diferenciar de um transistor?
Explique a diferença entre SSI, MSI, LSI e VLSI
Enuncie a Lei de Moore
Introdução
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Exercícios
(11) Como a Lei de Rock se relaciona à Lei de Moore?
(12) Explique a classificação computacional de acordo com a potência computacional
(13) O que torna a arquitetura de von Neumann diferente de suas predecessoras?
(14) Relacione as características presentes na arquitetura de von Neumann
(15) Em que hardware e software se distinguem? Em que se assemelham?
(16) Em que ordem de magnitude algo que é executado em nanossegundos é mais rápido do que algo que é executado em milissegundos?
(17) Suponha que um transistor em um circuito integrado tenha o tamanho de 2 microns. De acordo com a Lei de Moore, qual seria o tamanho deste transistor em 2 anos? De que modo a Lei de Moore é relevante para programadores?
Introdução
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Exercícios
(18) Relacione 5 aplicações de computadores pessoais. Existe um limite para aplicações de computadores? Você pode imaginar aplicações radicalmente diferentes e instigantes em um futuro próximo? Se sim, quais?
(19) Dada a nova variação da Lei de Moore, responda:
	você tem uma ideia brilhante para um novo projeto de chip que poderia tornar um processador 6 vezes mais rápido do que os mais rápidos atualmente existentes no mercado. Infelizmente, levará 4 anos e meio para conseguir a verba, criar o protótipo e construir um produto acabado. Se a Lei de Moore se aplica, você deveria gastar dinheiro desenvolvendo e produzindo um chip ou investindo em algum outro empreendimento de risco?
(20) Por que a arquitetura sobrevive por vários anos e a organização não?
Introdução
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Exercícios
(21) Qual a finalidade dos barramentos?
(22) Qual a relação entre custo e desempenho?
(23) “Barramentos não são essenciais para as computadores”. A sentença é verdadeira ou falsa? Justifique
Introdução
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