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1 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 1 EVOLUÇÃO E DESEMPENHO DO COMPUTADOR Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 2 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 3 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... Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 4 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 5 PRIMEIRA GERAÇÃO: VÁLVULAS ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer Rear) - Fonte: www2.lv.psu.edu Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 6 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 2 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 7 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 8 PROGRAMAÇÃO NO HARDWARE Sequência de funções aritméticas e lógicas Fonte: Adaptado de (STALLINGS, 2010, p.54) Dados Resultados Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 9 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 10 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 11 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) Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 12 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 3 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 13 ARQUITETURA DE VON NEUMANN John von Neumann e computador EDVAC Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 14 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 15 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 16 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. Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 17 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. Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 18 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 4 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 19 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 20 PROGRAMAÇÃO NO SOFTWARE Fonte: alumnas5g.blogspot.com Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 21 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 22 ARQUITETURA DE VON NEUMANN � Ciclo de execução de von Neumann Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 23 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 24 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 5 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 25 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 26 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 27 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 28 TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS INTEGRADOS � Componentes discretos Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 29 TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS INTEGRADOS � Placa de circuito impresso Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 30 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 6 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 31 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 32 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 33 TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS INTEGRADOS � Circuitos integrados Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 34 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 35 TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS INTEGRADOS Crescimento na contagem de transistores da CPU (Stallings, 2010, p. 24) Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 36 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 7 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 37 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 38 TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS INTEGRADOS Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 39 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 40 TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS INTEGRADOS Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 41 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 42 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 8 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 43 TERCEIRA GERAÇÃO: CIRCUITOS INTEGRADOS Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 44 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 45 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 46 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 47 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 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 48 GERAÇÕES POSTERIORES Fonte: (Stallings, 2010) 9 Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 49 GERAÇÕES POSTERIORES Fonte: (Stallings, 2010) Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 50 GERAÇÕES POSTERIORES Fonte: (Stallings, 2010) Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 51 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. Arquitetura e Organização de Computadores I Ementa 52 DÚVIDAS
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