Arquitetura de Computadores

1. Arquitetura de Computadores Profs. Antonio Santos e Marcio Galvão Ribeiro

2. A Evolução do Computador Aproximadamente 4.000 a.C. - Um aparelho muito simples formado por uma placa de argila onde se escreviam algarismos que auxiliavam nos cálculos. Esse aparelho era chamado de ÁBACO - palavra de origem Fenícia. Cerca de 200 a.C., o Ábaco era constituído por uma moldura retangular de madeira com varetas paralelas e pedras deslizantes.

3. A Evolução do Computador • 1642 - Um francês nome Blaise Pascal, inventou a primeira máquina de somar: PASCALINA, a qual executava operações aritméticas. Foi precursora das calculadoras mecânicas. • 1671 - Na Alemanha, Gottfried Leibnitz inventou uma máquina muito parecida com a Pascalina, que efetuava cálculos de multiplicação e divisão, e qual se tornou a antecessora direta das calculadoras manuais. • 1802 - Na França, Joseph Marie Jacquard passou a utilizar Cartões Perfurados para controlar suas máquinas de tear e automatizá-las.

4. A Evolução do Computador • 1822 - Foi desenvolvido por um cientista inglês chamado Charles Babbage uma máquina que permitia cálculos como funções trigonométricas e logaritmas, utilizando os cartões de Jacquard. • 1834 - Charles Babbage desenvolveu uma máquina analítica capaz de executar as quatro operações, armazenar dados em uma memória (de até 1.000 números de 50 dígitos) e imprimir resultados, tornando-se a base para a estrutura dos computadores atuais, fazendo com que Charles Babbage fosse considerado como o "Pai do Computador".

5. O Início da Era do Computador • No ano de 1890, época do censo dos EUA, Hermann Hollerith percebeu que só conseguiria terminar de apurar os dados do censo quando já seria o tempo de se efetuar novo censo (1900). Então aperfeiçoou os cartões perfurados (aqueles utilizados por Jacquard) e inventou máquinas para manipulá-los, conseguindo com isso obter os resultados em tempo recorde, isto é, 3 anos depois. • Em função dos resultados obtidos, Hollerith, em 1896, fundou uma companhia chamada TMC - Tabulation Machine Company, vindo esta a se associar, em 1914 com duas outras pequenas empresas, formando a Computing Tabulation Recording Company vindo a se tornar, em 1924, a tão conhecida IBM - Internacional Business Machine.

6. O Início da Era do Computador – A Segunda Guerra Mundial e o MARK I • Surgiu, em 1944, o primeiro computador eletromecânico (construído na Universidade de Harvard a ajuda financeira da IBM, que investiu US$ 500.000,00 no projeto), possuía o nome de MARK I, era controlado por programa e usava o sistema decimal. Tinha cerca de 15 metros de comprimento e 2,5 metros de altura, era envolvido por uma caixa de vidro e de aço inoxidável brilhante e possuía as seguintes características: • 760.000 peças • 800 km de fios • 420 interruptores para controle • realizava uma soma em 0,3 s • realizava uma multiplicação em 0,4 s • e uma divisão em cerca de 10 s Esta máquina realiza cálculos balísticos com rapidez e precisão.

7. Computadores de Primeira Geração • 1943 – A Inglaterra colocou em operação uma das máquinas mais ambiciosas, o COLOSSUS, pois ao invés de relés eletromecânicos, usava 2.000 válvulas eletrônicas. O Colossus trabalhava com símbolos perfurados numa argola de fita de papel, que era inserida na máquina de leitura fotoelétrica. Ele processava 25.000 caracteres por segundo.

8. Computadores de Primeira Geração • 1945 - John von Neumann delineia os elementos críticos de um sistema de computador. • 1946 - Surgiu o ENIAC - Eletronic Numerical Interpreter and Calculator, ou seja, "Computador e Integrador Numérico Eletrônico", projetado para fins militares, na Universidade de Pensilvânia. Características: • totalmente eletrônico • 17.468 válvulas • 500.000 conexões de solda • 30 toneladas de peso • 180 m² de área construída • 5,5 m de altura • 25 m de comprimento • 2 vezes maior que MARK I • realizava uma soma em 0,0002 s • realizava uma multiplicação em 0,005 s com números de 10 dígitos

9. Computadores de Primeira Geração - EDVAC Foi planejado para acelerar o trabalho armazenando tanto programas quanto dados em sua expansão de memória interna. Os dados, então, eram armazenados eletronicamente num meio material composto de um tubo cheio de mercúrio

10. Computadores de Primeira Geração • 1947 - John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain inventam o TRANSISTOR. • 1951 - Surge o primeiro computador comercial o LEO

11. Computadores de Segunda Geração • 1952 - A Bell Laboratories inventou o Transistor que passou a ser um componente básico na construção de computadores e apresentava as seguintes vantagens: • aquecimento mínimo • pequeno consumo de energia • mais confiável e veloz do que as válvulas

12. Computadores de Segunda Geração - UNIVAC • Universal Automatic Computer, ou seja, "Computador Automático Universal", o qual era destinado ao uso comercial. Era uma máquina eletrônica de programa armazenado que recebia instruções de uma fita magnética de alta velocidade ao invés dos cartões perfurados. O UNIVAC foi utilizado para prever os resultados de uma eleição presidencial.

13. Computadores de Segunda Geração • Também em 1952, Grace Hopper (almirante da Marinha Americana) transformou-se em uma pioneira no processamento de dados, pois criou o primeiro compilador e ajudou a desenvolver duas linguagens de programação que tornaram os computadores mais atrativos para comércio.

14. Computadores de Segunda Geração • Em 1953, Jay Forrester, do MIT, construiu uma memória magnética menor e bem mais rápida, a qual substituía as que usavam válvulas eletrônicas. • Já em 1954, a IBM concluiu o primeiro computador produzido em série, o 650, que era de tamanho médio • Gordon Teal, da Texas Instruments, descobre um meio de fabricar transistores de cristais isolados de silício a um custo baixo.

15. Computadores de Segunda Geração • 1955 - Conclui-se o primeiro computador transistorizado, feito pela Bell Laboratories: o TRADIC, o qual possuía 800 transistores.

16. Computadores de Terceira Geração • De 1958 a 1959, Robert Noyce, Jean Hoerni, Jack Kilby e Kurt Lehovec participam do desenvolvimento do CI - Circuito Integrado. • Em 1960, a IBM lança o IBM/360, cuja série marcou uma nova tendência na construção de computadores com o uso de CI, ou pastilhas, que ficaram conhecidas como Chips. Esses chips incorporavam, numa única peça de dimensões reduzidas, várias dezenas de transistores já interligados, formando circuitos eletrônicos complexos.

17. Computadores de Terceira Geração • 1965 - A Digital Equipment introduz o PDP-8, o primeiro minicomputador comercial e com preço competitivo. • Os primeiros computadores com circuito integrado foram criados pela Burroughs, em 1968, e tinham o nome de B2500 e B3500. • 1968 - primeiro computador com circuito integrado

18. Computadores de Terceira Geração • 1971 - Ted Hoff, planeja o microprocessador Intel 4004, o qual era um único chip com todas as partes básicas de um processador central. • Já em 1974, Ed Roberts, do MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems) em Albuquerque - Novo México, constrói um microcomputador chamado ALTAIR 8800, usando processador da Intel (o 8080). A MITS esperava vender uns oitocentos ALTAIR por ano e acabou tendo dificuldades para satisfazer 4.000 pedidos.

19. Computadores de Terceira Geração • 1975 - Os estudantes William (Bill) Gates e Paul Allen criam o primeiro software para microcomputador, o qual era uma adaptação do BASIC para o ALTAIR. Anos mais tarde, Gates e Allen fundaram a Microsoft. • 1977 - Surge no mercado de produção em série, três microcomputadores: o Apple II, o TRS-80 da Radio Shack e o PET da Commodore. • Em 1979, é lançado pela Software Arts o "VisiCalc", o qual foi o primeiro programa comercial para microcomputadores.

20. Computadores de Quarta Geração • Na década de 80, foi criado o IC LSI - Integratede Circuit Large Scale Integration, ou seja, "Circuito Integrado em Larga Escala de Integração", onde foram desenvolvidas técnicas para se aumentar cada vez mais o número de componentes no mesmo circuito integrado. Alguns tipos de IC LSI incorporavam até 300.000 componentes em uma única pastilha.

21. Computadores de Quinta Geração Tem como característica o uso de IC VLSI - Integrated Circuit Very Large Scale Integration, ou seja, "Circuitos Integrados em uma Escala Muito Maior de Integração". Os "chips" vêm diminuindo tanto de tamanho, fazendo com que seja possível a criação de computadores cada vez menores, como é o caso da microminiaturização do microprocessador F-100, que mede somente 0,6 cm quadrados e é pequeno o suficiente para passar pelo buraco de uma agulha! Microprocessador F-100

22. Estrutura Inicial do PC • O IBM PC, ou Personal Computer (Computador Pessoal), surgiu em 1981 e se tornou um padrão de microcomputador, o qual passou a ter uma evolução muito rápida, e difícil de se acompanhar. Características: •  A estrutura inicial do PC tinha as seguintes características: • permitia a inclusão de 5 placas de expansão; • 256 Kb de memória RAM • 40 Kb memória ROM • uma ou duas unidades de disquete de 5 1/4" com capacidade de gravação de 360 Kb; • -monitor CGA monocromático (fósforo verde, âmbar ou branco).

23. Componentes do PC

24. Componentes do PC: Unidades de Entrada As unidades de entrada do computador têm como função ler e transmitir dados. Exemplos: Teclado, Mouse, Scanner, Microfone etc.

25. Componentes do PC: Unidade Central de Processamento (UCP) • Microprocessador: • A primeira característica a considerar num computador é sua unidade central de processamento, que poderá fornecer uma série de indicações sobre o equipamento. Tudo o que acontece num computador provém da UCP, que gerencia todos os recursos disponíveis no sistema. Seu funcionamento é coordenado pelos programas, que indicam o que deve ser feito e quando com uma característica muito especial: uma velocidade extremamente elevada.

26. Microprocessador – Termos utilizados • Palavra - Quantidade de bits que é tratada em cada ciclo do processador. • Via de E/S - Quantidade bits acessados a cada ciclo de interação com um dispositivo de E/S (entrada/saída). • Via de endereços- Quantidade de bits que podem ser enviados para representar um endereço de uma posição na memória.

27. Microprocessador – Termos utilizados • Clock - Velocidade dos ciclos por segundo que regulam o funcionamento da UCP. • MIPS- Milhões de instruções por segundo.

28. Componentes do PC: Unidade Central de Processamento (UCP) A UCP trabalha diretamente com a memória principal. O conteúdo da memória principal é uma combinação de informações e instruções. As instruções que o processador central pode executar diretamente estão na linguagem de máquina da UCP.

29. Componentes do PC: Unidade Central de Processamento (UCP) • O processamento é feito pela Unidade Central de Processamento utilizando o ciclo busca-execução regulado pelo clock (relógio). A seqüência desse ciclo é: • Buscar (cópia) instrução na memória principal; • Executar aquela instrução; • Buscar a instrução seguinte; • Executar a instrução seguinte; • E assim por diante (milhões de vezes por segundo).

30. Componentes do PC: Unidade Central de Processamento (UCP) • As instruções em linguagem de máquina são muito primitivas. Por exemplo: • Ler (copiar) conteúdo de um endereço de memória no registrador do processador central; • Comparar duas informações; • Adicionar, subtrair dois números; • Escrever palavra na memória ou dispositivo de saída.

31. UCP: Atividades realizadas Função processamento: Se encarrega de realizar as atividades relacionadas com a efetiva execução de uma operação, ou seja, processar. O dispositivo principal desta área de atividades de uma UCP é chamado de UAL - Unidade de Aritmética e Lógica. Os demais componentes relacionados com a função processamento são os registradores, que servem para armazenar dados a serem usados pela UAL. A interligação entre estes componentes é efetuada pelo barramento interno da UCP.

32. UCP: Atividades realizadas Função Controle: É exercida pelos componentes da UCP que se encarregam das atividades de busca, interpretação e controle da execução das instruções, bem como do controle da ação dos demais componentes do sistema de computação. A área de controle é projetada para entender o que fazer, como fazer e comandar quem vai fazer no momento adequado. Os dispositivos básicos que devem fazer parte daquela área funcional são: unidade de controle, decodificador, registrador de instrução, contador de instrução, relógio ou "clock" e os registradores de endereço de memória e de dados da memória.

33. Microprocessador: Unidade Aritmética e Lógica (UAL) • A UAL é o dispositivo da UCP que executa realmente as operações matemáticas com os dados. • A UAL é um aglomerado de circuitos lógicos e componentes eletrônicos simples que, integrados, realizam as operações já mencionadas. Ela pode ser uma parte pequena da pastilha do processador, usada em pequenos sistemas, ou pode compreender um considerável conjunto de componentes lógicos de alta velocidade que sempre seguem os mesmos princípios fundamentais.

34. Microprocessador: Registradores Para que um dado possa ser transferido para a UAL, é necessário que ele permaneça, mesmo que por um breve instante, armazenado em um registrador. Além disso, o resultado de uma operação aritmética ou lógica realizada na UAL deve ser armazenado temporariamente, de modo que possa ser utilizado mais adiante ou apenas para ser, em seguida, transferido para a memória.

35. Microprocessador: Registrador de Instrução (RI) • É o registrador que tem a função específica de armazenar a instrução a ser executada pela UCP. Ao se iniciar um ciclo de instrução, a UC emite o sinal de controle que acarretará a realização de um ciclo de leitura para buscar a instrução na memória, e que, via barramento de dados e RDM, será armazenada no RI.

36. Microprocessador: Registrador de Dados de Memória (RDM) e Registrador de Endereços de Memória (REM) São os registradores utilizados pela UCP e memória para comunicação e transferência de informações. Em geral o RDM possui um tamanho igual ao da palavra do barramento de dados, enquanto o REM possui um tamanho igual ao dos endereços da memória.

37. Microprocessador: Contador de Instrução (CI) É o registrador cuja função específica é armazenar o endereço da próxima instrução a ser executada. Tão logo a instrução que vai ser executada seja buscada (lida) da memória para a UCP, o sistema providencia a modificação do conteúdo do CI de modo que ele passe a armazenar o endereço da próxima instrução na seqüência.

38. Microprocessador: Unidade de Controle (UC) É o dispositivo mais complexo da UCP. Além de possuir a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e instruções de e para a UCP, através dos sinais de controle que emite em instantes de tempo programados, esse dispositivo controla a ação da UAL.

39. Microprocessador: Relógio (Clock) • É o dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo. A quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em um segundo define a unidade de medida do relógio, denominada freqüência, a qual também usamos para definir velocidade na UCP. • A unidade de medida usual para a freqüência dos relógios de UCP é o Hertz (Hz), que significa 1 ciclo por segundo. Como se trata de freqüências elevadas, abreviam-se os valores usando-se milhões de Hertz, ou de ciclos por segundo (MegaHertz ou simplesmente, MHz)

40. Microprocessador: Relógio (Clock) • Exemplo: Se um processador possui um clock de 25 MHz, significa que ele gera 25 milhões de ciclos por segundo, oscilando a cada 0,00000004 segundos ou 40 nanosegundos.

41. Microprocessadores: Decodificador de Instrução (DI) É um dispositivo utilizado para identificar as operações a serem realizadas, que estão correlacionadas à instrução em execução. Em outras palavras, cada instrução é uma ordem para que a UCP realize uma determinada operação.

42. Microprocessador - Interrupções • Interrupções são paradas no processamento por algum motivo. Existem 3 tipos de interrupções: • Int: É uma entrada que serve para que dispositivos externos possam interromper o microprocessador para que seja realizada uma tarefa que não pode esperar.

43. Microprocessador - Interrupções • NMI: É um sinal de interrupção especial para ser usado em emergências. Significa Interrupção não mascarável, ou seja, essa interrupção deve ser atendida imediatamente. Ao contrário do sinal INT, que pode ser ignorado pelo microprocessador. • INTA: É utilizada para que o microprocessador indique que aceitou uma interrupção, e que está aguardando que o dispositivo que gerou a interrupção identifique-se, para que seja realizado o atendimento adequado.

44. Microprocessador: Bits Internos. • Refere-se a quantidade de bits que um processador pode trabalhar de uma só vez: • Na tabela abaixo, temos as quantidades de número inteiros positivos que um processador pode manipular de uma só vez: • 8 bits 0 a 255 • 16 bits 0 a 65.535 • 32 bits 0 a 4.294.967.296

45. Microprocessador: Bits Externos. Está relacionado com a quantidade de bits que o processador transferir e recuperar da memória. Esta velocidade pode ser limitada pela velocidade da memória. A linha Pentium opera internamente com 32 bits e externamente com 64.

46. Microprocessador: Pipeline Método que consiste em dividir o processo em estágios independentes, que, por isso, podem se superpor uns aos outros, no tempo, como é feito nas indústrias automobilísticas.

47. Microprocessador: Execução Paralela de Instruções Desde os primórdios da computação, os projetistas tentam construir máquinas mais rápidas. Até certo ponto, as máquinas podem ser aceleradas simplesmente aumentando a velocidade do hardware. Infelizmente computadores rápidos produzem mais calor que os lentos e a montagem do computador em um volume pequeno torna difícil a dissipação desse calor. Para minimizar este problema existe outra abordagem. Em vez de uma única CPU de alta velocidade, é possível construir uma máquina com muitas ALUs mais lentas (e mais baratas) ou mesmo CPUs completas para se obter o mesmo poder computacional a um custo menor.

48. Microprocessador: Memória Cache A memória cache surgiu quando percebeu-se que as memórias não eram mais capazes de acompanhar o processador em velocidade (na época, o processador 386, imagine os de hoje), fazendo com que muitas vezes ele tivesse que ficar “esperando” os dados serem liberados pela memória RAM para poder concluir suas tarefas, perdendo muito em desempenho.

49. Microprocessador: Memória Cache Solução: 1 - Embutir no processador (cache primário) um tipo ultra-rápido de memória, em pequena quantidade devido ao custo, que serve para armazenar os dados mais freqüentemente usados pelo processador. 2 – Usa-se também um tipo um pouco mais lento de memória cache na forma do cache secundário, que por ser muito mais barato, permite que seja usada uma quantidade muito maior.

50. Unidades de Memória Principal • O computador não mantém toda a informação na CPU, ela armazena muitas coisas na memória e seleciona o que precisa a cada momento. Existem dois tipos de memória: RAM e ROM