Arquitectura de Computadores II
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UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática Arquitectura de Computadores II Engenharia Informática (11545) Tecnologias e Sistemas de Informação (6621) O Computador - Introdução Fonte: Arquitectura de Computadores, José Delgado, IST, 2004 Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 1 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática MOTIVAÇÃO Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 2 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • O computador é um dos maiores feitos do Homem. Tornou áreas de trabalho obsoletas, criou outras, tornou possível coisas impossíveis. • Mais do que a própria televisão, o computador é “a caixa que mudou o mundo”. • Com a televisão de alta definição e melhoria das comunicações, a televisão, os telemóveis e o computador estão em “rota de colisão”, juntando as capacidades de: – distribuição de informação multimédia; – interacção global (internet, TV interactiva); – processamento local de informação. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 3 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Um computador não tem nada de mágico nem sequer é um sistema inteligente (mas é fiável, determinístico e muito rápido). • Tem de ser exaustivamente programado pelo utilizador, que tem de prever todas as situações. • A inteligência aparente do computador é apenas a inteligência do programador. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 4 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • “O meu computador é estúpido que nem uma porta. Só faz o que eu lhe mando, não faz o que eu quero!” • Um computador é como um rato num labirinto, seguindo cegamente setas que indicam por onde ir (instruções do programador). Não tem visão de conjunto nem sabe o que está a fazer! Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 5 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Antes dos computadores, (quase) tudo era manual (mão-de-obra intensiva). • Motivação: – – – – – Automatização (tarefas repetitivas sem se cansar); Capacidade (de memória, de processamento); Rapidez (milhões de vezes mais rápido); Fiabilidade (o erro humano é muito frequente); Custo (o computador não recebe ordenado…). Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 6 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática DO ÁBACO AO COMPUTADOR PESSOAL Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 7 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Ábaco: Inventado no médio oriente, Mesopotâmia, 3000 a.c.; • Primeiro dispositivo manual de cálculo; • Servia para representar números no sistema decimal e realizar operações aritméticas. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 8 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Tábua de Logarítmos de Napier: Inventada, em 1614, pelo escocês Jonh Napier; • Calculava logarítmos usando tábuas/réguas para auxiliarem no cálculo de divisões e multiplicações. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 9 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Pascaline ou Máquina de Somar: Inventada no século XVII, pelo francês Blaise Pascal; • Primeira calculadora mecânica capaz de fazer somas e subtrações; • Primeiro “e vai um” automático; • Funcionamento baseado em engrenagens. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 10 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Calculadora Mecânica: Criada no século XVII, pelo alemão Gottfried Leibnitz; • Aperfeiçoou a Pascaline; • Efetuava multiplicações através de somas consecutivas; • Pouco divulgada. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 11 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Tear Programável: Criada no inicio do século XIX, por Joseph Jacquard; • Cartões perfurados para controlavam a confecção e o desenho nos tecidos; • Primeira máquina mecânica programável. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 12 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Arithmometer: Projetada e construída em 1820, por Charles Thomas; • Primeira máquina que realizava as quatro operações aritméticas básicas (adição, subtracção, multiplicação e divisão). Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 13 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Calculador Analítico ou Máquina Diferencial: Criado em 1833 pelo inglês Charles Babbage; • Considerado o “pai” da Informática; • Dispunha de programa, memória, unidade de controle e periféricos de saída. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 14 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Primeira aplicação: Recenseamento em 1890 nos Estados Unidos; • Hollerith Tabulating Company; • Deu origem à IBM em 1911. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 15 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Utilizada no recenseamento demográfico dos E.U.A.; • Acumulava e classificava informações; • Utilizava cartões perfurados. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 16 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Calculadora Mecânica: Em 1890, William S. Burroughs, iniciou a produção de uma máquina de calcular mecânica que imprimia as parcelas e os resultados. Era comercializada pela empresa que em 1986 receberia o nome de UNISYS. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 17 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Válvula: Inventada em 1905 por Lee de Forest; • Componente fundamental dos computadores de 1ª Geração. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 18 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Em 1911 é fundada a IBM (International Business Machines Corporation). Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 19 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • • • • Harvard Mark I: Desenvolvido entre 1937 e 1944; Usado no cálculo de tabelas matemáticas e navegação; Objectivo semelhante à máquina de Babbage; 3 segundos para uma multiplicação de 10 dígitos. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 20 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Harvard Mark II: 1945; • Testes no Harvard Mark II; • Descobriram que um relé não fazia contacto devido a uma traça; • Este bug era real… Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 21 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • • • • • • ENIAC: 1946; 18000 válvulas electrónicas; 30 toneladas; Sala com 30 metros; Cada registo: 60 cm; 1000 vezes mais rápido que o Mark I (3 ms para uma mulplicação de 10 dígitos). Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 22 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 23 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Transistor: Criado em 1947 na Universidade de Stanford (EUA); • Usado comercialmente apenas no final da década de 50; • Componente fundamental dos computadores de 2ª Geração; • Permitiu a substituição das válvulas; • Menor consumo; • Maior integração. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 24 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • UNIVAC: Criado em 1949 por Mauchly Computer Corporation; • Primeiro computador eletrónico disponível comercialmente; Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 25 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • UNIVAC: Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 26 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Circuitos Integrados: Desenvolvidos em meados dos anos 60; • Componente dos computadores de 3ª Geração; • Agrupamento de componentes eletrónicos sobre um chip de silício (o silicio é o principal componente do vidro, cerâmica, …); • Inicio da era do down-sizing. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 27 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Circuitos Integrados Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 28 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Circuitos Integrados – Escalas de Integração • SSI (Small Scale Integration): Integração em pequena escala: são os CI com menos componentes. Podem conter até 30 dispositivos por pastilha (chip); • MSI (Medium Scale Integration): Integração em média escala: corresponde aos CI com várias centenas de componentes, podendo possuir de 30 a 1000 dispositivos por pastilha (estes circuitos incluem descodificadores, contadores, etc.); Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 29 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Circuitos Integrados – Escalas de Integração • LSI (Large Scale Integration): Integração em grande escala: contém milhares de componentes podendo possuir de 1000 até 100.000 dispositivos por pastilha (estes circuitos normalmente efectuam funções lógicas complexas, tais como toda a parte aritmética duma calculadora, um relógio digital, etc.). [1969]; • VLSI (Very Large Scale Integration): Integração em muito larga escala: é o grupo de CI com um número de componentes compreendido entre 100.000 e 10 milhões de dispositivos por pastilha (são utilizados na implementação de microprocessadores). [1975] Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 30 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Circuitos Integrados – Escalas de Integração • ULSI (Ultra Large Scale Integration): Integração em escala ultra larga: É o grupo de CI com mais de 10 milhões de dispositivos por pastilha. [1990, ex:Pentium (Intel)] • Nos computadores actuais, quase todos os chips usados são do tipo LSI, VLSI ou ULSI. Os chips SSI e MSI são ainda usados em pequenas quantidades, normalmente para auxiliar os chips LSI e VLSI. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 31 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Intel: Fundada em 1971, (com colaboradores da Motorola e Texas Instruments); • 4004; • Microprocessador 4 bits; • 108 Khertz; • 2300 transistores. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 32 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Altair 8800: Criado em 1975; • Primeiro computador pessoal portátil, produzido para comercialização massificada. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 33 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Microsoft: Fundada em 1975, por Bill Gates e Paul Allen; • O primeiro trabalho desenvolvido, foi a criação de um interpretador; da linguagem de progranação Basic, para o computador Altair 8800. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 34 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Apple: Em 1976 Steve Jobs e Steve Wozniak (fundadores da Apple Corp.), lançam o Apple I; • O Apple II, lançado em 1979, foi o primeiro microcomputador pessoal a ter sucesso comercial. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 35 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • 8086: Criado em 1978 • Microprocessador 16 bits; • 5 Mhertz; • 29000 transistores; • Primeiro microprocessador “a sério”. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 36 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • IBM PC: Criado em 1981, o conceito do computador pessoal (Personal Computer-PC); • O PC foi declarado o “man of the year” de 1982 pela revista Time Magazine; Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 37 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • ZX80: Lançado pela Sinclair em 1980; • Antecessor do ZX Spectrum; • Enorme sucesso comercial. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 38 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • “No futuro, os computadores não pesarão mais do que 1,5 tonelada.” *Popular Mechanics, prevendo a evolução da ciência, 1949. • “Viajei por todos os lados neste país (EUA) e posso assegurar-lhes que processamento de dados é uma ilusão que não perdura até o fim do ano.” *O editor de livros técnicos da Prentice Hall, 1957. • “Acho que deve existir um mercado mundial para, talvez, cinco computadores.” *Thomas Watson, administrador da IBM, 1943. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 39 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática O COMPUTADOR Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 40 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Que problemas pode um computador resolver? • O processamento a ser feito é o mesmo, seja por uma pessoa, seja por um computador. • O que um computador faz é simular o trabalho de uma ou mais pessoas. • Essa simulação é simplificada (um computador não precisa dos truques organizacionais das pessoas). Informação de entrada Processamento Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 Informação de saída 41 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Qualquer processamento pressupõe um algoritmo (conjunto de passos elementares para se atingir um dado objectivo); • O mesmo processamento pode ser implementado por algoritmos diferentes. Exemplo: cálculo do perímetro de um rectângulo: – Algoritmo 1: Somar os lados todos; – Algoritmo 2: Somar um lado com outro diferente e depois multiplicar a soma por dois. • Pessoas e computadores podem usar algoritmos diferentes para resolver o mesmo problema porque têm capacidades específicas diferentes. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 42 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Qualquer processamento pressupõe um algoritmo (conjunto de passos elementares para se atingir um dado objectivo); • O mesmo processamento pode ser implementado por algoritmos diferentes. Exemplo: cálculo do perímetro de um rectângulo: – Algoritmo 1: Somar os lados todos; – Algoritmo 2: Somar um lado com outro diferente e depois multiplicar a soma por dois. • Pessoas e computadores podem usar algoritmos diferentes para resolver o mesmo problema porque têm capacidades específicas diferentes. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 43 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática Processador Interface com o mundo Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 Memória de programa Memória de dados 44 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática 1. Lê uma instrução da memória de programa; 2. Interpreta a instrução (vê que operação é preciso fazer); 3. Lê operandos da memória de dados; 4. Executa a operação; 5. Armazena o resultado na memória de dados; 6. A memória de dados pode ser substituída pela interface com o mundo exterior nos passos 3 ou 5 ou em ambos; 7. Volta ao passo 1 onde irá ler a instrução seguinte na memória de programa. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 45 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática Arquitectura de Vom Newmann (1947) • Formulado, em 1947, por John Von Newmann, com base em seus estudos feitos sobre o ENIAC; • Definiu o esquema básico de funcionamento dos computadores. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 46 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática Arquitectura de Vom Newmann (1947) Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 47 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática UNIDADE DE ENTRADA PROCESSADOR UNIDADE DE SAÍDA MEMÓRIA Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 48 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática UNIDADE DE ENTRADA PROCESSADOR UNIDADE DE SAÍDA MEMÓRIA Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 49 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Departamento de Informática • Os computadores substituiram as pessoas nas tarefas mais repetitivas e de mais baixo nível. • Os computadores não entendem as pessoas directamente. Têm de ser programados por meio de um algoritmo, uma linguagem de programação e um compilador. • O modelo de computador adoptado é o de von Neumann (processador, memória, periféricos). • O sistema operativo é fundamental. • A evolução dos computadores tem sido rápida e profunda. Nuno Pombo / Paulo Fazendeiro – Arquitectura Computadores II – 2014/2015 50
