Evolução dos Computadores

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Evolução de Computadores
Profa. Dra. Ieda Hidalgo
E-mail: iedahidalgo@ft.unicamp.br
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História da Evolução
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Primeira Geração (1946 – 1957)
Válvulas Eletrônicas
O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – Computador e integrador numérico eletrônico) foi o primeiro computador eletrônico digital de propósito geral em todo o mundo.
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Construção do ENIAC
Construído de 1943 a 1946 na Universidade da Pensilvânia (por um professor da Engenharia Elétrica e um de seus alunos da pós-graduação) em resposta às necessidades dos EUA diante da 2ª Guerra Mundial (1939-1945).
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Características do ENIAC
Ele pesava 30 toneladas, ocupava 140 m², continha mais de 18 mil válvulas e sua operação consumia 140 quilowatts. Ele era muito mais rápido do que qualquer computador eletromecânico, sendo capaz de executar 5 mil adições por segundo.
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5.5 kw
Eniac power consumption = 25 showers
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Desvantagem do ENIAC
O ENIAC era uma máquina decimal e sua principal desvantagem era que ele tinha de ser programado manualmente, ligando e desligando chaves e conectando e desconectando cabos.
 Permaneceu operando até 1955 no BRL (Ballistics Research Laboratory – Laboratório de Pesquisas Balísticas).
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ENIAC
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Arquitetura de Von Neumann
John von Neumann era um matemático consultor no projeto do ENIAC e principal responsável pelo conceito de "programa armazenado".
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Conceito de 
“Programa Armzenado”
A idéia era que um programa pudesse ser armazenado na memória juntamente com os dados, pois a tarefa de carregar e modificar um programa no ENIAC era tediosa. 
Com o conceito de programa armazenado um programa poderia ser carregado ou modificado simplesmente atribuindo valores a posições de memória.
Segundo von Newmann, a mesma memória pode ser usada para armazenar tanto instruções quanto dados.
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EDVAC
A idéia do “programa armazenado” foi publicada em 1945 para a construção de um novo computador o EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer – Computador variável discreto eletrônico).
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IAS
De 1946 a 1952 von Neumann e seus colegas constuíram o IAS no Instituto de Estudos Avançados de Princeton cuja arquitetura foi usada em todos os computadores de uso geral subsequentes. 
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Estrutura do IAS
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Segunda Geração (1958-1964)
Transistores
A grande mudança foi a substituição da válvula pelo transistor.
O transistor foi inventado na Bell Laboratories, em 1947, e iniciou uma revolução na indústria eletrônica nos anos 50. 
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Características do Transistor
O transistor é menor, mais barato e dissipa menos calor do que a válvula. Ele é soldado a uma placa de silício. 
Portanto, não requer o uso de fios, placas de metal, cápsula de vidro e vácuo.
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Outras Mudanças na 
Segunda Geração
A ULA e a UC eram mais complexas (alguns modelos possuíam um registrador secundário de instruções)
Os computadores já utilizavam linguagens de programação de alto nível
Os computadores incluíam softwares de sistema
Os computadores faziam uso de canais de dados e multiplexadores.
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Canal de Dados
Um canal de dados é um módulo de E/S independente. Ele possui seu próprio processador e seu próprio conjunto de instruções. 
Com esse dispositivo a CPU não executa instruções de E/S reduzindo consideravelmente o seu consumo.
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Multiplexador
Um multiplexador seleciona qual dispositivo, entre a CPU e os canais de dados, pode fazer acesso à memória. 
Isso permite que eles sejam executados de maneira independente.
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Terceira Geração (1965-1971)
Circuitos Integrados
Por que circuitos integrados?
O processo de fabricação, desde o transistor até a placa de circuito era caro, pois os transistores eram fabricados separadamente, encapsulados em seus próprios recipientes e soldados ou ligados com fios a placas de circuitos que eram então instaladas nos computadores. Os computadores do início da 2a geração continham cerca de 10 mil transistores e esse número cresceu até centenas de milhares. 
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Desenvolvimento dos 
Circuitos Integrados
Em 1958, foi desenvolvida uma nova técnica que revolucionou os equipamentos eletrônicos: o circuito integrado. 
O circuito integrado permite produzir simultaneamente milhares de transistores em uma única lâmina de silício que podem ser conectados entre si por um processo de metalização para formar os circuitos. 
Isso possibilitou que dezenas de transistores fossem colocados em um único chip.
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Terceira Geração – 1ª Fase
Inicialmente, era possível fabricar e empacotar em uma única pastilha apenas um pequeno número de portas lógicas ou células de memórias. 
Esses primeiros circuitos integrados são chamados de circuitos com integração em baixa escala SSI - Small-Scale Integration (até 100 componentes sobre um chip).
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Definições
Portas lógicas: dispositivos que implementam uma função lógica ou booleana para controle de fluxo de dados.
Células de memória: dispositivos que podem armazenar um valor binário em um bit.
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Terceira Geração – 2ª Fase
Com o passar do tempo foi possível empacotar mais e mais componentes em uma mesma pastilha. 
Portanto, essa geração engloba também os circuitos de integração em média escala MSI - Medium Scale Integration (de 100 a 3.000 componentes sobre um chip).
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Lei de Moore
Proposta por Gordon Moore, um dos fundadores da Intel. 
Moore observou que o número de transistores que podiam ser impressos em uma única pastilha dobrava a cada ano e previu que esse crescimento permaneceria em um futuro próximo. 
Nos anos 70, a taxa de crescimento diminuiu, com a duplicação ocorrendo a cada 18 meses, mas estabilizou-se desde então.
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Lei de Moore
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Vantagens da Utilização de Circuitos Integrados
Custo reduzido, pois milhares de transistores estavam em uma única placa
Aumento da velocidade de operação, pois as portas lógicas e as células de memória eram empacotadas cada vez mais próximas uma das outras
Redução do tamanho do computador
Redução do consumo de energia elétrica
Menor necessidade de resfriamento do equipamento
Conexões de circuito integrado (metalização) são mais confiáveis do que conexões soldadas.
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Quarta e Quinta Gerações
Quarta geração: (para Tanenbaum = computadores pessoais)
Integração em grande escala LSI - Large-Scale Integration (de 3.000 a 100.000 componentes sobre um chip)
Quinta geração: (para Tanembaum = computadores invisíveis: abrem portas, acendem luzes, etc )
Integração em escala muito grande VSLI - Very-Large-Scale Integration (de 100.000 a 100.000.000 componentes sobre um chip)
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Memórias de Semicondutores
A primeira aplicação da tecnologia de circuito integrado foi na construção do processador. Descobriu-se também que essa mesma tecnologia poderia ser usada para construir memórias.
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Evolução da Memória
Nos anos 50 e 60 a maioria das memórias era construída a partir de pequenos anéis de ferro-magnético. Essa memória de núcleo magnético era rápida, porém, cara, volumosa e a leitura era uma operação destrutiva (ler um núcleo apagava os dados armazenados nele).
Em 1970 foi produzida a 1a memória de semicondutores (tecnologia de circuito integrado) ainda cara e volumosa, porém mais rápida e a leitura não era destrutiva.
Em 1974 o preço por bit da memória de semicondutores tornou-se menor do que o preço por bit da memória de núcleo magnético. Isso abriu caminho para a construção de máquinas menores, mais rápidas e com grande capacidade de memória.
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Microprocessadores
Ao mesmo tempo em que a densidade de elementos nas pastilhas de memória continuava a crescer, também crescia continuamente a densidade de elementos nas pastilhas do processador.
Um marco importante foi o desenvolvimento do Intel 4004, em 1971. O 4004 foi a primeira pastilha a conter todos os componentes de uma CPU: havia nascido o microprocessador.
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Consequências
O custo dos sistemas de computação continuava a cair, enquanto o desempenho
e capacidade desses sistemas cresciam na mesma proporção. 
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Evolução Tecnológica
Essa contínua evolução tecnológica possibilitou o desenvolvimento de aplicações que demandam alto poder de processamento, como:
 Processamento de imagem
 Reconhecimento de voz
 Vídeoconferência
 Aplicações multimídia
 Arquivos de anotações em voz e vídeo
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Aproveitando a Velocidade dos Microprocessadores
Para aproveitar a velocidade dos microprocessadores são necessárias técnicas, embutidas nos processadores atuais, para manter o fluxo de execução de instruções, tais como:
 Previsão de desvios
 Análise do fluxo de dados
 Execução paralela e especulativa
 Pipeline
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Previsão de Desvios
O processador examina instruções a serem executadas mais à frente e prevê quais grupos de instruções têm maior probabilidade de serem processados. Dessa forma a busca de instruções na memória pode ser antecipada. 
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Análise do Fluxo de Dados
O processador verifica quais instruções dependem de resultados ou dados de outras instruções e determina uma sequência otimizada para a execução de instruções. 
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Execução Especulativa
Consiste na tentativa de executar, antecipadamente, instruções que possam vir a ser requeridas. Ela utiliza as técnicas de previsão de desvios e de análise do fluxo de dados.
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Pipeline
Em uma pipeline de instruções, novas entradas são aceitas em uma extremidade, antes que entradas aceitas previamente apareçam como saídas na outra extremidade. 
Fazendo uma analogia com uma linha de montagem, produtos em vários estágios do processo de produção podem ser trabalhados simultaneamente. 
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Balanceamento do Desempenho
Nem todos os componentes do computador acompanharam a evolução do processador. Em razão disso, é preciso buscar um bom balanceamento de desempenho: um ajuste da organização e da arquitetura para compensar as diferenças de capacidade dos vários componentes.
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A principal diferença de desempenho ocorre na interface entre o processador e a memória principal. Enquanto a velocidade do processador e a capacidade da memória cresceram rapidamente, não houve correspondente evolução da taxa de transferência de dados entre eles. Se a memória ou a interface não são capazes de atender à demanda do processador na velocidade adequada, o processador fica bloqueado, em estado de espera.
Outra problema de desempenho ocorre na transferência de dados entre o processador e os periféricos. 
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Como resolver esse problema?
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Um projetista de sistema pode diminuir esse problema utilizando:
Memórias e Barramento de dados mais largos (isso aumenta o número de bits obtidos em cada acesso à memória).
Memória cache na pastilha da memória e do processador (esquema de armazenamento temporário que reduz a frequência de acesso à memória).
Barramento de alta velocidade e uma hierarquia de barramentos para estruturar o fluxo de dados entre processadores e memórias.
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O projeto de um computador constitui, portanto, uma arte constantemente em evolução. A questão chave é obter equilíbrio entre as demandas de transferência de dados e processamento dos diversos componentes de um sistema de computação (do processador, da memória principal dos dispositivos de E/S e das estruturas de interconexão).
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Resumindo
 Aumento da velocidade dos processadores
 Diminuição do tamanho dos componentes
 Aumento da capacidade da memória
 Aumento da capacidade e da velocidade de E/S.
A evolução dos computadores tem sido caracterizada pelo:
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