378049-aoc1_aula02_evolucao_desempenho_computador

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Arquitetura e Organização de Computadores I
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EVOLUÇÃO E 
DESEMPENHO DO 
COMPUTADOR
Arquitetura e Organização de Computadores I
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O QUE EVOLUIU?
� Evolução dos computadores
� Aumento da velocidade dos processadores
� Diminuição no tamanho do componente
� Aumento no tamanho da memória
� Aumento na capacidade e velocidade da E/S
� Principais fatores evolucionais
� Encolhimento no tamanho dos componentes, que reduz a distância entre os 
componentes, e portanto, aumenta a velocidade
� Organização do processador 
• Técnicas de execução das instruções a fim de mantê-lo ocupado o máximo possível
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O QUE É CRÍTICO?
� Questões críticas
� Equilibrar o desempenho dos diversos elementos de modo que os ganhos
no desempenho em uma área não sejam prejudicados por um atraso em
outras áreas
� A velocidade do processador aumentou muito mais rapidamente do que o
tempo de acesso à memória
� Desenvolvimento de técnicas para compensar essa diferença
• Caches, barramentos e chips de memória mais inteligentes
� Voltando no histórico dos computadores digitais...
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PRIMEIRA GERAÇÃO: VÁLVULAS
� Primeiro computador digital eletrônico de uso geral do mundo
� ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer), projetado e
construído na Universidade da Pensilvânia
� Nasceu de um problema no exército (Ballistics Research Laboratory – BRL)
� Contava com 200 pessoas que, usando calculadora de mesa, solucionavam
equações de balísticas necessárias para desenvolver tabelas de faixa e
trajetória para novas armas
� A preparação das tabelas para uma única arma exigia muitas horas, e até
mesmo dias, de trabalho de uma pessoa
� Em 1943, o prof. John Mauchly e um de seus alunos formados, John Eckert,
começaram a desenvolver um computador de uso geral usando válvulas
para aplicação no BRL
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PRIMEIRA GERAÇÃO: VÁLVULAS
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer Rear) - Fonte: www2.lv.psu.edu
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PRIMEIRA GERAÇÃO: VÁLVULAS
� Características do ENIAC
� Peso: 30 toneladas
� Ocupação: 1500 pés quadrados de superfície
� Número de válvulas: 18.000
� Consumo: 140 kilowatts de potência
� Velocidade: 5000 adições/segundo
• Muito mais rápida que qualquer computador eletromecânico
� Máquina decimal, ao invés de binária
• Aritmética decimal
• Memória com 20 “acumuladores” cada um mantendo um número decimal de 10 dígitos
• Anel de 10 válvulas representava cada dígito, apenas uma delas era ligada para dado valor
� Programação manual por meio da ligação de chaves e conexão e
desconexão de cabos
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PRIMEIRA GERAÇÃO: VÁLVULAS
� ENIAC foi concluído em 1946
� Tarde demais para a Segunda Guerra Mundial, terminou em 1945
� Primeira tarefa: cálculos complexos usados para ajudar a determinar a
viabilidade da bomba de hidrogênio
� Natureza de uso geral
� ENIAC foi operado pelo BRL até 1955, quando foi desmontado
� Programação no hardware
� Entrar e alterar programas para o ENIAC não era uma tarefa fácil
� Esse processo poderia ser facilitado se o programa pudesse ser
representado em uma forma adequada e armazenado na memória junto
com os dados
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PROGRAMAÇÃO NO HARDWARE
Sequência de funções 
aritméticas e lógicas
Fonte: Adaptado de (STALLINGS, 2010, p.54)
Dados Resultados
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� É uma arquitetura de computador que se caracteriza pela
possibilidade de uma máquina digital armazenar seus programas
no mesmo espaço de memória que os dados, podendo assim
manipular tais programas
� O nome refere-se ao matemático Jon Von Neumann (pronunciado
Nóimann) que foi consultor no projeto ENIAC, entretanto, outros
pesquisadores também estiveram envolvidos no processo de
elaboração da arquitetura
� A ideia do modelo surgiu da necessidade de armazenar programas
em um computador
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Conceito de programa armazenado
� Alan Turing desenvolveu a ideia praticamente ao mesmo tempo
� A primeira publicação da ideia foi em uma proposta de 1945 relatada por
von Neumann para um novo computador
� EDVAC (Eletronic Discrete Variable Computer)
� Primeiro computador de programa armazenado, conhecido como IAS, no
Princetorn Institute for Advanced Studies, considerado o protótipo de todos
os computadores de uso geral
� Começou a ser desenvolvido em 1946 e só ficou pronto após 1952
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Estrutura de um computador IAS
Memória 
Principal
(M)
Fonte: Adaptado de (STALLINGS, 2010, p.14)
Equipamen
to de E/S
(E,S)
Unidade Lógica e 
Aritmética (CA)
Unidade de 
Controle do 
Programa(CC)
Unidade Central de Processamento (CPU)
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Estrutura de um computador IAS
Memória 
Principal
(M)
Fonte: Adaptado de (STALLINGS, 2010, p.14)
Equipamen
to de E/S
(E,S)
Unidade Lógica e 
Aritmética (CA)
Unidade de 
Controle do 
Programa(CC)
Unidade Central de Processamento (CPU)
Uma Unidade Lógica 
e Aritmética (ALU) 
capaz de operar 
sobre dados binários
Uma Memória 
Principal, que 
armazenado dados e 
instruções
Uma Unidade de 
Controle que interpreta 
as instruções na 
memória e faz com que 
sejam executadas
Equipamento de 
entrada e saída (E/S) 
operado pela 
unidade de controle
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
John von Neumann e computador EDVAC
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Primeira Parte Específica – Central Arithmetic ou CA
� Como o dispositivo é principalmente um computador, ele terá que realizar
as operações elementares da aritmética (adição, subtração, multiplicação e
divisão), portanto, deve ter unidades especializadas apenas para essas
operações
� Segunda Parte Específica – Control Center ou CC
� Controle lógico do dispositivo, a sequenciação apropriada das operações
pode ser executado, de forma mais eficiente, por um controle central
� Se o dispositivo tiver de ser flexível, ou seja de propósito geral, então as
unidades gerais de controle devem distinguir o que deve ser feito para
executar as instruções (não importa quais sejam)
• Instrução de máquina que é interpretada e executada diretamente pelo processador
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Terceira Parte Específica – Memory
� Memória ou M: Qualquer dispositivo que tiver que executar longas e
complicadas sequências de operações (especificamente cálculos) precisa ter
uma memória considerável
� Recording ou R: deve ser capaz de manter contato de entrada e saída, que
são os “neurônios” correspondentes sensoriais e motores do cérebro
humano
� Quarta Parte Específica – Input I
� É necessário ter unidades para transferência de informações de R para M
� Quinta Parte Específica – Output O
� É necessário ter unidades para transferência de informações de M para R
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Gargalo de von Neumann
� Possui apenas um caminho de dados entre a UCP e a memória principal
� A troca de dados (taxa de transferência) entre o processador e a memória é
muito menor do que a taxa com que o processador pode trabalhar� CPU é constantemente forçada a esperar por dados que precisam ser
transferidos para, ou a partir da, memória
� Como a velocidade da CPU e o tamanho da memória têm aumentado muito
mais rapidamente que a taxa de transferência entre eles, o gargalo se
tornou mais um problema
� O problema de desempenho pode ser aliviado (até certo ponto) por
diversos mecanismos, como colocando uma memória cache entre o
processador e a memória principal, utilizando algoritmos de predição, etc.
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Gargalo de von Neumann
� O termo "gargalo de von Neumann" foi cunhado por John Backus em sua
palestra Award 1977 ACM Turing. Segundo Backus:
� Certamente deve haver uma maneira menos primitiva de se fazer grandes
alterações na memória, do que empurrando um grande número de
palavras, de um lado a outro, do gargalo de von Neumann. Não é somente
um gargalo literal para o tráfego de dados, mas, o mais importante, é um
gargalo intelectual que nos tem mantido atados a um pensamento de "uma
palavra por vez" em vez de encorajar-nos a pensar em termos unidades
conceituais maiores. Assim, a programação é basicamente o planejamento e
detalhamento do enorme tráfego de palavras através do gargalo de von
Neumann e grande parte desse tráfego não diz respeito aos dados
propriamente ditos, e sim a onde esses dados são encontrados.
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PROGRAMAÇÃO NO SOFTWARE
� Praticamente todos os projetos de computadores modernos são
baseados em conceitos da “arquitetura de von Neumann”
� Dados e instruções são armazenados em um única memória de leitura e
escrita
� O conteúdo dessa memória é endereçável por local, sem considerar o tipo
de dados neles contido
� A execução ocorre em um padrão sequencial (a menos que modificado
explicitamente) de uma instrução para a seguinte
Conjunto de componentes físicos independentes que se interagem a fim de buscar um 
programa na memória, instrução por instrução, e executá-lo sobre os dados de entrada 
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PROGRAMAÇÃO NO SOFTWARE
Interpretador de 
instrução
Funções aritméticas e 
lógicas de uso geral
Fonte: Adaptado de (STALLINGS, 2010, p.54)
Dados
Códigos 
de instrução
Sinais de
controle
Resultados
Parte do hardware 
interpreta cada 
instrução e gera 
sinais de controle 
para distinguir a 
operação 
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PROGRAMAÇÃO NO SOFTWARE
Fonte: alumnas5g.blogspot.com
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Com raras exceções, todos os computadores de hoje têm essa
mesma estrutura e função geral e são conhecidos como máquinas
de von Neumann
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Ciclo de execução de von Neumann
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ARQUITETURA DE VON NEUMANN
� Principais características do IAS
� Memória: 1000 locais de armazenamento (palavras – words), cada um com
40 dígitos binários (bits)
� Números e instruções em formato binário
� Cada número tinha um bit de sinal e um valor de 39 bits
� Uma palavra pode conter duas instruções de 20 bits
� Cada instrução tinha um código de operação (8 bits) e um endereço de 12
bits para endereçamento da memória (0 a 999)
� Unidade de controle busca as instruções e executa uma por vez
� Unidade Lógica e Aritmética contém locais de armazenamento
• Registradores
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PRIMEIRA GERAÇÃO: VÁLVULAS
� Computadores comerciais
� Nasceu na década de 1950 com duas empresas, Sperry e IBM
� Sperry-Rand Corporation
• Fundada em 1947, por Eckert e Mauchly para manufaturar computadores comercialmente
• UNIVAC I (Universal Automatic Computer): primeira máquina de sucesso aplicada para o
Censo dos EUA para os cálculos de 1950
• Tarefas que realizada: cálculos algébricos de matriz, problemas estatísticos, cobranças de
prêmio para companhia de seguros e problemas de logística
• UNIVAC II: entregue no final de 1950, com maior capacidade de memória e maior
desempenho
• Compatibilidade com máquinas mais antigas, para manter os clientes
� IBM
• Principal fabricante de equipamento de processamento de cartão perfurado, entregou seu
primeiro computador de programa armazenado, o 701, em 1953
• Voltado para aplicações científicas
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SEGUNDA GERAÇÃO: TRANSISTORES
� Substituição da válvula pelo transistor
� Transistor foi inventado na Bell Laboratórios em 1947
� Menor, mais barato e dissipa menos calor do que uma válvula
� Válvula exige fios, placas de metal e cápsula de vidro e um vácuo
� Transistor é um dispositivo de estado sólido feito de silício
� IBM foi a primeira a oferecer essa nova tecnologia, série 7000
� Segunda geração
� Unidades Lógicas e Aritméticas e Unidade de Controle mais complexas
� Uso de linguagens de programação de alto nível
� Disponibilidade do software de sistema com o computador
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SEGUNDA GERAÇÃO: TRANSISTORES
� Surgimento da DEC (Digital Equipment Corporation) em 1957
� Primeiro computador pessoal, PDP-1, minicomputador
� Inovações na IBM
� Desde a introdução da série 
700, em 1952 até a introdução 
do último membro da série 
7000 em 1964, que foi o IBM 
7094, houve uma evolução 
sucessiva
� Maior desempenho, 
capacidade maior e/ou menor 
custo
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Componentes discretos
� Transistores, resistores, capacitores, etc. isolados (autocontido)
� Fabricação separada, empacotados em seus próprios invólucros e soltados
ou ligados em placas circuito
� O processo de manufatura do transistor à placa de circuito era dispendioso
e complicado
� Imagina fazer isso para uma máquina com cerca de 10.000 transistores!
� Microeletrônica, “pequena eletrônica”
� Redução do tamanho dos circuitos eletrônicos digitais
� Em 1958, houve a invenção do circuito integrado
� Computador digital tem dois tipos fundamentais de elementos
• Portas lógicas e células de memória
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Componentes discretos
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Placa de circuito impresso
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Funções básicas do computador
� Armazenamento de dados
• Células de memória
� Processamento de dados
• Portas lógicas
� Movimentação de dados
• Caminhos entre os componentes para movimentar dados
� Controle
• Caminhos entre os componentes para transportar sinais de controle
• Exemplo: sinal de leitura/escrita como ON/OFF
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Funções básicas do computador
� Armazenamento de dados
• Células de memória
� Processamento de dados
• Portas lógicas
� Movimentação de dados
• Caminhos entre os componentes para movimentar dados
� Controle
• Caminhos entre os componentes para transportar sinais de controle
• Exemplo: sinal de leitura/escrita como ON/OFF
Um computador consiste em 
portas, células de memória e 
interconexões entre esses 
elementos
As portas e células de memória são 
construídas de componentes 
eletrônicos digitais simples
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Circuitos integrados� Explora o fato de que componentes como transistores, resistores e
condutores podem ser fabricados a partir de um semicondutor como o
silício
� Então, o invés de montar os componentes discretos feitos em partes
separadas do silício, por que não montá-los em um pequeno pedaço de
silício?
� Muitos transistores podem ser montados diretamente em um wafer de
silício e podem ser conectados por um processo de metalização para formar
circuitos
� Um wafer fino de silício é dividido em uma matriz de pequenas áreas, cada
uma com poucos milímetros quadrados (chips)
� Cada chip contém muitas portas e/ou células de memória mais uma série
de pontos de conexão de entradas e saídas
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Circuitos integrados
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Integração em pequena escala (SSI, small-scalle integration)
� Poucas portas ou células de memória eram integradas
� Com o passar do tempo, mais e mais componentes passaram a ser
integrados em um único chip
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
Crescimento na contagem de transistores da CPU (Stallings, 2010, p. 24)
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Lei de Moore
� Proposta por Gordon Moore, cofundador da Intel,
em 1965
� Moore observou que o número de transistores que
poderia ser colocado em um único chip estava
dobrando a cada ano e previu corretamente que
esse ritmo continuaria no futuro próximo
� Para surpresa de muitos, inclusive Moore, o ritmo
continuou ano após ano
� Depois, diminuiu para dobrar a cada 18 meses na
década de 1970, mas sustentou essa taxa desde
então
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Consequências da Lei de Moore
� O custo de um chip permaneceu praticamente inalterado durante esse
período de rápido crescimento em densidade
� Logo, o custo da lógica do computador e do circuito de memória caiu em
uma taxa considerável
� Como os elementos lógicos e de memória são colocados muitos próximos
dentro do chip, quando mais denso, o caminho é encurtado o que aumenta
a velocidade de operação
� O computador tornou-se menor
� Houve uma redução nos requisitos de potência e resfriamento
� As interconexões no circuito integrado são muito mais confiáveis do que as
conexões de solda, mais circuitos em cada chip, menos conexões entre
chips
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� IBM System/360
� Até 1964, série 7000
� Proposta de uma nova família de produtos de computador
� Incompatível com máquinas IBM mais antigas
� Risco de mudança para acompanhar as evoluções dos circuitos integrados
� Compensou financeira e tecnicamente, 70% da fatia de mercado
� Com algumas modificações e extensões, a arquitetura do 360 permanece
até hoje na arquitetura dos computadores mainframe da IBM
� System/360 cobria uma grande faixa de desempenho e custo
� Conceito de família de computadores – um programa escrito para um
modelo deveria ser capaz de ser executado por outro modelo da série com
diferença apenas no tempo gasto para executar
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Conceito de família de computadores
� Conjunto de instruções semelhante ou idêntico
� Sistema operacional semelhante ou idêntico
� Velocidade aumentada
� Número cada vez maior de portas de E/S
� Tamanho de memória crescente
� Maior custo
� Diferenças em três fatores
� Velocidade básica
� Tamanho
� Grau de simultaneidade
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
� Computadores IBM teve Impacto sobre a indústria inteira
� DEC PDP-8
� Pequeno suficiente para ser colocado em uma bancada de laboratório ou
embutido em outro equipamento
� Não fazia tudo que um mainframe fazia, mas era barato para que cada
técnico tivesse um US$ 16 000, enquanto o System/360 custava centenas
de milhares de dólares
• Baixo custo e pequeno tamanho rendeu um sistema de revendas
• Cerca de 50 000 máquinas vendidas nos doze anos seguintes
� Ao contrário da arquitetura comutada central usada pela IBM, os modelos
mais recentes usavam a estrutura de barramento
� PDP-8: Omnibus
• 96 caminhos de sinal separados para transportar sinais de controle, endereço e dados
• Uso compartilhado e controle pela CPU
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TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS 
INTEGRADOS
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GERAÇÕES POSTERIORES
� Integração em larga escala (LSI, large-scale integration)
� Mais de 1000 componentes em um único chip de circuito integrado
� Integração em grande escala (VLSI, very-large-scale integration)
� Mais de 10.000 componentes em um único chip de circuito integrado
� Integração em ultra grande escala (ULSI, ultra-large-scale
integration)
� Mais de 1.000.000 componentes em um único chip de circuito integrado
� Classificação por geração torna-se menos clara e menos significativa
� Importância do software e das comunicações além do hardware
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GERAÇÕES POSTERIORES
� Memória semicondutora
� Primeira aplicação da tecnologia de circuito integrado aos computadores foi
a construção do processador (ULA + UC)
� Memória de núcleo magnético: década de 1950 e 1960 as memórias eram
construídas por anéis (cores) de material ferromagnético (1/16 polegada de
diâmetro) montados em grades de pequenos fios suspensos
• Magnetização em uma direção representava 1, e na outra direção representava 0
� Um milionésimo de segundo para ler 1 bit, mas era cara e volumosa
� Leitura destrutiva: a leitura apagava os dados armazenados nele
� Em 1970, Fairchild produziu a primeira memória semicondutora
relativamente grande (256 bits), era não destrutiva e muito mais rápida (70
bilionésimo de segundo para ler um bit), porém o custo por bit era alto
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GERAÇÕES POSTERIORES
� Memória semicondutora
� Em 1974, o preço da memória semicondutora caiu para menos que o preço
por bit da memória core
� Declínio contínuo e rápido no custo da memória acompanhado por um
aumento correspondente na densidade da memória física
� Desde 1970, a memória semicondutora passou por 13 gerações
• 1k
• 4k
• 16k
• 256k
• 1M
• 4M
• 16M
• 64M
• 256M
• 1G
• 4G
• 16G (atual)
• Cada geração forneceu quatro vezes a densidade de
armazenamento da geração anterior, acompanhada
pelo custo por bit e tempo de acesso em declínio
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GERAÇÕES POSTERIORES
� Microprocessadores
� Densidade de elementos no chip do processador também aumentou
� Em 1971, a Intel desenvolveu o 4004, o primeiro chip a conter em si todos
os componentes de uma CPU > microprocessador
• Permitia somar dois números de 4 bits e multiplicar apenas pela adição repetida
� Evolução: número de bits que o processador pode lidar de cada vez
(delimitada pelo barramento de dados), número de bits no acumulador ou
conjunto de registradores de uso geral
• Exemplo: arquiteturas em que os microprocessadores operam sobre números de 16 bits,
mas só podem ler e escrever 8 bits de cada vez (Intel 8088)
� Primeiromicroprocessador de uso geral: Intel 8080, em 1974
� Microprocessadores de 16 bits: Intel 8086, final da década de 1970
� Microprocessadores de 32 bits: Intel 80386, em 1985
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GERAÇÕES POSTERIORES
Fonte: (Stallings, 2010)
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GERAÇÕES POSTERIORES
Fonte: (Stallings, 2010)
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GERAÇÕES POSTERIORES
Fonte: (Stallings, 2010)
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REFERÊNCIAS
� STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de
Computadores. 8. Ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010.
� Capítulo 2: Evolução e desempenho do computador
� TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de
Computadores. Rio de Janeiro: Pearson, 6ª edição, 2013.
� PATTERSON, D. A.; HENNESSY, J. L. Organização e projeto de
computadores: a interface hardware/sofware. 4. ed. Rio de
Janeiro: Campus, 2014.
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DÚVIDAS