Arquitetura de Computadores

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Arquitetura de Computadores 
Aula 01 
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Aula 01: Evolução histórica dos computadores 
 
OBJETIVOS: descrever a organização funcional de um computador. Identificar as 
principais formas de utilização e aplicação de computadores. 
 
Nesta primeira aula, abordaremos os conceitos fundamentais de Arquitetura 
de Computadores. Apresentaremos a técnica de máquinas multiníveis e a evolução 
dos computadores, desde a válvula até os circuitos integrados de larga escala, tudo 
isso dentro do padrão proposto por Von Newmann. 
 
1. Introdução 
 
Desde a Antiguidade, pode-se observar a necessidade do homem em 
computar (calcular). Inicialmente ele utilizava seus próprios dedos como forma de 
contagem, daí a base de nosso sistema de numeração ser decimal. Com o passar 
dos tempos, os dez dedos não eram mais suficientes, então ele passou a utilizar 
pedrinhas: "O pastor guardava em um saco uma pedrinha para cada ovelha de seu 
rebanho, depois associava cada pedrinha a uma ovelha". As evoluções não pararam 
e o homem aperfeiçoou suas técnicas criando instrumentos de apoio à contagem e 
computo. Cada vez mais, os números foram crescendo, a necessidade de precisão 
e a dificuldade em solucionar cálculos mais e mais complexos levou o homem a criar 
mecanismos com o intuito de simplificar uma tarefa tão árdua. Daí surgiu 
ferramentas como: ábaco, régua de cálculo, máquina de calcular e o computador. 
 
1.1. Computador 
 
O computador é uma máquina capaz de receber, armazenar, tratar e produzir 
informações de forma automática, com grande rapidez e precisão. A evolução dos 
sistemas de computação teve seu início no século XVI, mas estes somente 
mostraram-se úteis no século XX, e sua vulgarização se deu graças à recente 
evolução na microeletrônica. 
 
 
1.1.1. Tipos de computadores digitais 
 
Atualmente, as famílias de computadores podem ser classificadas em cinco 
grupos distintos: os computadores pessoais (PCs), os minicomputadores, os 
supermini, os computadores de grande porte (mainframes) e os supercomputadores. 
A tabela a seguir dá um exemplo das máquinas comerciais que se enquadram 
nesses grupos e as suas aplicações típicas. 
 
GRUPO MÁQUINA APLICAÇÃO 
Computador pessoal IBM Pentium 
Tratamento de texto, 
aplicações científicas etc. 
Minicomputador PDP-11/84 Tempo real 
Supermini Sun SPARC 
Pesquisa, servidor de 
arquivos 
Mainframes IBM 3090/300 Banco, universidade 
Supercomputador Cray-2 Cálculo 
 
1.1.2. Modelo de Von Neumann 
 
A grande maioria dos computadores existentes atualmente segue um modelo 
proposto pelo matemático americano Von Neumann, por volta de 1940. Nesse 
modelo, um elemento processador segue as instruções armazenadas em uma 
memória de programas, para ler canais de entrada, enviar comandos sobre canais 
de saída e alterar as informações contidas em uma memória de dados. 
Esse modelo inicial evoluiu para uma estrutura em barramento, que é a base 
dos computadores modernos. Nessa estrutura, as memórias de dados e de 
programa são fundidas em uma memória única, e as comunicações entre elementos 
são efetuadas por meio de uma via comum de alta velocidade: 
 
2. História e geração dos computadores 
 
A história dos computadores começou no momento em que o homem sentiu a 
necessidade de efetuar cálculos complexos de maneira automática. 
 
2.1. Precursores (geração zero) 
 
O primeiro elemento com que o homem contou para fazer seus cálculos foi o 
conjunto de dedos de suas mãos, daí veio a palavra digital, vindo de dígito, que 
significa dedo. Com a evolução da humanidade, fez-se necessárias novas invenções 
para auxiliar os cálculos: 
 
2.1.1. Ábaco 
 
A primeira calculadora de que se tem notícias é o ábaco, de origem chinesa, do 
século V a.C., capaz de efetuar operações algébricas elementares. 
 
2.1.2. Calculadoras mecânicas 
 
Anteriormente à década de 1940 já existiam calculadoras mecânicas, dentre 
elas, pode-se destacar: a calculadora de Charles Babbage. 
Uma das primeiras máquinas de processar dados data de 1880, quando 
Hermann Hollerith, funcionário do United States Census Bureau, inventou uma máquina 
para realizar as operações de recenseamento da população. A máquina "lia" cartões 
perfurados em código BCD (Binary Coded Decimal) e efetuava contagens da 
informação referente à perfuração respectiva. O sistema foi patenteado em 1884. As 
máquinas de Hollerit foram utilizadas no censo de 1890 nos EUA. O tempo gasto nesse 
recenseamento foi 1/3 do tempo normal. 
Em 1896, Hollerit fundou a Tabulating Machine Company, que construía as 
tabuladoras e outros dispositivos por ele inventados. Com o crescimento da empresa, 
ela passou a chamar-se em 1911 Computing Tabulating and Recording Company, e em 
1924 passou a ostentar o nome que tem atualmente, IBM – International Business 
Machines Corporation. 
 
2.2. As máquinas de primeira geração (1930-1958) 
 
Foi na década de 1940 que surgiram as primeiras válvulas eletrônicas. O 
Exército americano necessitava de um equipamento para efetuar cálculos de balística, 
foi quando se iniciaram os estudos para esse fim. 
 
Cada válvula era capaz de representar um bit de informação (somente aceitava 
dois estados, ligada ou desligada). Os bytes eram compostos por oito válvulas. 
 
 
Figura 1– ENIAC. 
Fonte: http://abcinformatica.files.wordpress.com/2011/02/bh_computers_02.jpg 
 
Como não se tinha muita confiança nos resultados, por causa da constante 
queima de válvulas, cada cálculo era efetuado por três circuitos diferentes, e os 
resultados comparados. Se dois deles coincidissem, aquele era considerado o resultado 
certo. 
Portanto, por exemplo, para 2 KB de memória, seriam necessárias 16.384 
válvulas, e para três circuitos 16.384 x 3 = 49.152 válvulas. Os computadores eram 
verdadeiros monstros eletrônicos que ocupavam muito espaço e consumiam muita 
energia. 
O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), construído em 1948, 
tinha 19.000 válvulas e consumia cerca de 200 quilowatts, um absurdo para a época. 
 
2.3. Computadores de segunda geração (1955-1965) 
 
Foi em 1947 que surgiu o primeiro transistor, produzido pela Bell Telephone 
Laboratories. Essa descoberta revolucionou a eletrônica, e os circuitos passaram a 
consumir muitíssimo menos energia, a ocupar menos espaço, isso a um custo bem 
satisfatório. 
 
Os transistores eram e são muito mais confiáveis que as válvulas. São feitos 
de cristal de silício, o elemento mais abundante na Terra. 
Em 1954, a Texas Instruments iniciou a produção comercial de transistores. 
Da mesma forma, os transistores, nos circuitos digitais, foram utilizados para 
representar os dois estados: ligado/desligado, ou seja, zero/um. 
Nos anos 1960 e 70, por causa do emprego do transistor nos circuitos, se deu 
a explosão, o boom do uso de computadores. Eles ocupavam menos espaço e 
tinham um custo satisfatório. 
Em 1968, chegou o primeiro computador da Unicamp, um IBM 1130, com 16 
KB de memória e um disco de 1 MB. Foi um acontecimento, ele trabalhava com 
cartões perfurados. Rodava programas em ASSEMBLER, Fortran e PL1. 
Para dar partida, se utilizava console e cartões perfurados especialmente 
codificados, denominados ―cold start‖, funções executadas hoje pela ROM e o BIOS. 
 
 
Figura 2– Transistor, característica dos computadores da segunda geração. 
Fonte: http://www.baboo.com.br/conteudo/articlefiles/30901-Power_Transistor.jpg2.4. Computadores de terceira geração (1965-1980) 
 
Nos anos 1960, iniciou-se o encapsulamento de mais de um transistor num 
mesmo receptáculo. Surgiu assim o Circuito Integrado – CI. Os primeiros contavam 
com cerca de 8 a 10 transistores por cápsula (chip). 
 
 
 
Figura 3 – Circuitos integrados, principal característica da terceira geração. 
Fonte: http://ahistoriadacomputacao.files.wordpress.com/2010/05/dual_in_line.jpg 
 
2.5. Computadores de quarta geração (1980-199?) 
 
Durante a década de 1970, com a tecnologia da alta escala de integração 
(LSI – Large Scale of Integration), pôde-se combinar até 65 mil componentes em 
uma só pastilha de silício (chip). Nos anos 1980, com o grande desenvolvimento da 
tecnologia de circuitos integrados, o número de transistores podendo ser integrados 
numa pastilha de silício atingiu a faixa dos milhares e, logo em seguida, dos milhões. 
Foi assim que surgiram os novos computadores, ainda menores, mais velozes e 
mais poderosos que aqueles da geração anterior. Na segunda metade da década de 
1990, houve a passagem da LSI para a VLSI (Very Large Scale of Integration – 
muito alta escala de integração). As máquinas de todas as gerações têm como 
característica comum a existência de uma única CPU para executar o 
processamento. Porém, mais recentemente, já existem computadores funcionando 
com mais de uma CPU. 
Desde o início da década de 1980, os preços haviam caído de tal maneira 
que já começava a ser possível a uma pessoa ter o seu próprio computador — 
começava então a era da informática pessoal. Os computadores pessoais passaram 
então a ser utilizados de uma maneira relativamente distinta da dos grandes 
computadores de então. No início dessa geração nasceu a Intel, que começou a 
desenvolver o primeiro microprocessador, o Intel 4004 de 4 bits, um circuito 
integrado com 2250 transistores, equivalente ao ENIAC. 
 
O 4004 foi seguido pelo Intel 8008 de 8 bits e, mais tarde, pelo Intel 8080. O 
primeiro microcomputador da história foi o Altair 8800, que usava o chip Intel 8088 e 
tornou-se padrão mundial da época para os microcomputadores de uso pessoal, 
abrindo uma nova era na história da informática. 
Stephen Wozniak e Steve Jobs formaram em 1976 uma pequena empresa, a 
Apple, onde construíram, numa garagem de fundo de quintal, o Apple I. Um ano 
depois, com um novo e melhor projeto, surgiu o Apple II, primeiro microcomputador 
com grande sucesso comercial e, mais tarde, o Apple III. Em 1983, entrou no 
mercado o Lisa e, em 1984, o Macintosh, com tecnologia de 32 bits. 
Em 1981, a IBM entrou no mercado de micros, introduzindo o PC, um 
microcomputador com tecnologia de 16 bits (Intel 8088) que em pouco tempo se 
tornou um padrão. Os principais modelos de PC são: 
 
 PC 
 PX-XT 
 PC-XT 286 
 PC-AT 
 PC-386 
 PC 
 
Em 1993, chegou ao mercado o Pentium, cuja versão Pentium III possui cerca 
de nove milhões de transistores. O Pentium trouxe um novo fôlego às chamadas 
estações de trabalho (microcomputadores poderosos usados em tarefas pesadas, 
como computação gráfica e aplicações científicas). Uma das novidades dele é que 
possibilita a simulação de dois processadores, ou seja, um princípio de paralelização 
antes possível apenas em supercomputadores e que agora está ao alcance dos 
usuários de microcomputadores. 
 
 
 
Figura 4. Intel 4040. 
Fonte: http://chandrakantha.com/articles/indian_music/filmi_sangeet/media/1971_intel_4004.gif 
 
2.6. Computadores de quinta geração (década de 1990) 
 
2.6.1. Pentium P55C ou MMX 
 
A evolução das aplicações de multimídia, envolvendo gráficos, imagens e 
sons, tornou uma necessidade a implementação de instruções que facilitassem sua 
execução. Assim, a Intel adicionou ao Pentium 57 novas instruções voltadas para 
esse tipo de processamento, que são as chamadas instruções MMX, ou seja, 
Multimedia Extentions. São instruções que englobam várias instruções comuns, e 
são executadas por hardware, facilitando aos produtores de software a criação de 
seus programas já se valendo dessas novas instruções. 
Tais instruções propiciam um bom ganho em velocidade de processamento. 
O P55C apresenta uma cache interna de 32 kB, o dobro das dos Pentiums P54C. 
Isso pode se traduzir por uma melhoria de performance da ordem de 10% nos 
processamentos ditos normais, não envolvendo as funções MMX. 
 
2.6.2. Pentium II 
 
Engloba o poder de processamento de 32 bits do Pentium PRO, uma melhor 
performance nos programas de 16 bits e as facilidades do Pentium MMX, operando 
com clock interno de 266 MHz e até 300 MHz. 
Seu encapsulamento ocorre com uma cache externa ou cache 2, que, 
contígua ao processador, facilita o gerenciamento da memória e melhora seu 
desempenho. 
 
 
2.6.3. Pentium II Celeron 
 
Semelhante ao Pentium II, é uma opção mais barata, também operando com 
um clock externo de 66 MHz e um clock interno de 300 MHz, porém sem a cache 2 e 
as vantagens advindas dela. 
 
REFERÊNCIAS 
 
MACHADO, Francis B.; MAIA, Luiz P. Arquitetura de sistemas operacionais. 4. ed. 
Rio de Janeiro: LTC, 2007. 
STALLINGS, Willian. Arquitetura e organização de computadores. 5. ed. Prentice 
Hall. São Paulo, 2006. 
TANENBAUM. Andrew S. Organização estruturada de computadores. 5. ed. Rio de 
Janeiro: LTC, 2007. 
 
REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES 
 
WEBER, Raul Fernando. Arquitetura de computadores pessoais. 2. ed. Porto Alegre: 
Sagra Luzzatto, 2003. 
_______. Fundamentos de arquitetura de computadores. 3. ed. Porto Alegre: Sagra 
Luzzatto, 2004.