Aula_1_Org_e_Arq

Descricao da Disciplina Introducao Historico

Organizacao e Arquiteturade Computadores

Profa.: Luana Dantas Chagas

Universidade Federal Rural do Semi-Arido - UFERSACampus Angicos

UFERSA (Campus Angicos) Organizacao e Arquitetura de Computadores Setembro/2014 1 / 58


Professora

Profa.: Luana Dantas Chagas

Graduacao em Ciencia da ComputacaoUniversidade do Estado do Rio Grande do Norte (2006 - 2010)

Mestrado em Ciencia da ComputacaoUniversidade do Estado do Rio Grande do Norte (2010 - 2012)

Contrato de professora temporariaIFCE, Morada Nova (2012 - 2014)

Professora do Ensino SuperiorUFERSA, Angicos (2014 - ...)

Contato: [email protected] (Campus Angicos) Organizacao e Arquitetura de Computadores Setembro/2014 2 / 58


Descricao da Disciplina

Carga Horaria: 60h

Horario:Terca-feira (18:50 a`s 20:30)Sexta-feira (18:50 a`s 20:30)

Perodo letivo:15/09/2014 (Seg) a 06/02/2015 (Sex).

Recesso:21/12/2014 (Dom) a 11/01/2015 (Dom).

Exames finais:07/02/2015 (Sab) a 20/02/2015 (Sex).




Calculo da media parcial:(N12)+(N23)+(N34)

9

Calculo da media final:(MP7)+(N43)

10

Observacoes:O aluno tem direito a faltar 25% da carga horaria (18 aulas).

Nao sao aceitas copias de avaliacoes.

Os trabalhos possuem data de entrega.

Se, por motivo de forca maior, o aluno saiba que vai faltar um trabalhoou nao vai cumprir o prazo deste, falar com antecedencia.




Ementa:Unidade I: Introducao a arquitetura e organizacao de computadores

Modelo de um sistema de computacaoHistorico dos computadores

Unidade II: Hierarquia de memoriaIntroducao ao sistema de memoriaMemoria PrincipalMemoria Secundaria

Unidade III: Sistemas de Entrada e SadaModulos de E/SControladores de E/STecnicas de E/S

Unidade IV: BarramentosTipos de barramentosEstrutura de um barramentoHierarquia de barramentos




Ementa:Unidade Central de Processamento

Unidade de ControleUnidade Logica e AritmeticaRegistradores e barramentosMedidas de desempenho

Unidade VI: Organizacao de computadoresRISC vs CISCProcessamento paralelo

Unidade VII: Sistema OperacionalConceitos basicos de sistemas operacionaisEscalonamento de processosGerenciamento de memoria




Bibliografia basica:STALLINGS, W. Arquitetura e Organizacao de Computadores. 8 ed.Sao Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010.

HENNESSY, J. L; PATTERSON, D. A. Arquitetura de Computadores: umaabordagem quantitativa. Rio de Janeiro: Campus, 2003.

TANENBAUM, A. S. Organizacao Estruturada de Computadores. 5 ed.Rio de Janeiro: Prentice Hall, 2006.

Bibliografia complementar:PATTERSON, D. A.; HENNESSY, John L. Organizacao e Projeto de Com-putadores. Rio de Janeiro: LTC, 2000.

WEBER, R. F. Fundamentos de Arquitetura de Computadores. PortoAlegre: Sagra-Luzzatto, 2004

PATTERSON, D. A.; HENNESSY, J. L. Organizacao e Projeto de Computa-dores: a interface hardware/software. Rio de Janeiro: Campus, 2005.

MONTEIRO, M. A. Introducao a` organizacao de computadores. 4 ed.Rio de Janeiro: LTC, 2002.




Livro adotado:



Regras

Convivencia em sala de aula:Evitar o barulho;

Celular em modo somente vibratorio;

Cuidados com o linguajar;

Cuidado com as faltas;

Cuidado com os atrasos.

Bom desempenho:Estude, estude, estude!

Nao deixe de tirar duvidas!

Suas atitudes definirao o profissional que voce quer ser!



Apresentacao dos Alunos

1. Qual o seu nome?

2. Qual o curso? Por que?

3. Somente estuda? Trabalha?

4. Mora em Angicos?

5. Tem computador e acesso a Internet?



Opiniao dos Alunos

Sugestoes?Como as aulas podem ficar menos chatas?



Motivacao

Por que estudar organizacao e arquitetura de computadores?

Precisamos compreender como funciona nossa ferramenta de tra-balho.

O computador nao pode ser uma caixa preta!

Conhecer os componentes fsicos de um sistema computacionalpermite tomar boas decisoes.

A escolha do computador deve ser adequada a`s necessidades.

Mesmo que o profissional somente trabalhe a nvel de software, omesmo e influenciado pelo hardware.



Definicao de organizacao e arquitetura

Definicao de arquitetura de computadores

A arquitetura de um computador refere-se aos aspectos visveis aum programador em linguagem de maquina e que tem impactodireto sobre a execucao logica do programa.

Definicao de organizacao de computadores

A organizacao de um computador refere-se a`s unidades operaci-onais e suas interconexoes. A organizacao define os atributos ar-quiteturais.



Analogia com a construcao de uma casa

A arquitetura define quais compo-nentes irao compor a casa.

A organizacao definiria como es-ses componentes serao imple-mentados. Por exemplo: qual ma-terial sera utilizado no forro, nochao...

Se fosse desenvolver um software para um robo domestico so iriaprecisar me preocupar com a arquitetura...




Atributos da arquitetura de computadores

Qual o conjunto de instrucoes a maquina deve suportar?Qual o numero de bits que sera utilizado para a representacao dedados? 16 bits? 32 bits?Quais mecanismos serao utilizados para controlar entrada e sada?Quais serao as tecnicas de enderecamento de memoria?

Atributos da organizacao de computadores

Quais serao os sinais de controle utilizados?Quais serao as interfaces entre o computador e os perifericos?Quais serao as tecnologias de memoria utilizadas?




Exemplo

E uma questao do projeto arquitetural se um computador tera umainstrucao de multiplicacao.

Uma vez optando-se por ter uma instrucao de multiplicacao, e umaquestao do projeto organizacional como esta sera implementada.

Pode-se optar, por exemplo, por implementar uma unidade espe-cial de multiplicacao. Ou fazer uso repetido da unidade de soma.

A decisao pode ser baseada na velocidade e no custo das duastecnicas.

Para o programador a nvel de maquina, o que importa e saber seha ou nao uma instrucao de multiplicacao.




Uma famlia de computadores pode possuir a mesma arquiteturacom uma organizacao diferente.

As diferentes organizacoes permitem gerar modelos de computa-dores com precos e desempenhos diferentes.

Esses conceitos permitem que, com o passar dos anos, mantenha-se a mesma arquitetura, evoluindo na organizacao de acordo coma tecnologia.

Isso permite que a compatibilidade de software seja preservada,ja que os parametros que influenciam na logica do software saomantidos.

Exemplo:A arquitetura IBM System/370 da famlia de mainframes da IBM possuiaa mesma arquitetura com diferentes modelos.O cliente podia migrar de um modelo a outro sem precisar mudar osoftware.



Como descrever os computadores?

ProblemaO computador contem milhares de componentes! Como criar uma

estrategia para descreve-los?

E preciso adotar um sistema hierarquico.Assim, tem-se um conjunto de subsistemas inter-relacionados.Cada subsistema e composto por outros subsistemas ate que sechegue a um subsistema elementar.Os projetistas entao precisam lidar com nvel particular do sistemapor vez.Em cada nvel defini-se uma estrutura e funcao:

Estrutura: como os componentes estao inter-relacionados.Funcao: o que cada componente da estrutura faz.




AnalogiaPodemos ver o mesmo tipo de hierarquia para descrever o corpo hu-mano.

Essa hierarquia gera duas abordagens para descrever o computador:Bottom-up (de baixo para cima): comecar de sistemas elementa-res e ir subindo na hierarquia dos subsistemas.Top-down (de cima para baixo): comecar de uma visao mais am-pla e ir decompondo em subpartes.




Descrevendo o computador em uma abordagem top-down:



O computador atual

Podemos definir a estrutura basica do computador atual atravesde quatro componentes:

Dispositivos de entrada e sada;Unidade Central de Processamento;Dispositivos de armazenamento (memoria);Barramentos (permitem a comunicacao entre os componentes).

Porem, antes de compreendermos o computador atual e precisoentender como o mesmo evoluiu ate o momento.



Evolucao dos computadores

O computador ira surgir devido a necessidade do homem de rea-lizar calculos.

A primeira calculadora que se tem notcia foi o abaco:

Nessa busca de um equipamento para auxiliar nos calculos, diver-sas maquinas surgiram.

As tecnologias desenvolvidas permitiram a evolucao das mesmasate chegarmos aos dias atuais.

Podemos dividir a historia do computador em quatro geracoes.




Geracao Pioneira:Maquina de calcular mecanicasPerodo: 1642 - 1945

1a Geracao:Computadores com valvulas eletronicasPerodo: 1945 - 1955

2a geracao:Computadores com transistoresPerodo: 1955 - 1965

3a geracao:Computadores com circuitos integradosPerodo: 1965 - 1980

4a geracao:Computadores com Integracao em Larga Escala muito Grande - VLSIPerodo: 1980 - ?



Evolucao dos computadores - Geracao Pioneira

A geracao pioneira (ou geracao zero) se caracterizou pelas maquinasde calcular mecanicas.

Essas maquinas eram compostas por engrenagens que eram acio-nadas por manivelas ou outro procedimento mecanico.

Uma das maquinas dessa epoca foi a Pascalina.

Criada por Blaise Pascal, em 1642, essa maquina era capaz de re-alizar as operacoes de soma e subtracao com numeros de ate oitodgitos.




Outra maquina marcante foi a calculadora de Leibniz.

Inventada pelo alemao Gottfried Leibniz, a maquina era capaz derealizar as quatro operacoes basicas e extrair a raz quadrada.

Assim como a pascalina, essa calculadora era composta por umconjunto de engrenagens que eram acionadas mecanicamenteatraves de uma manivela.

Essas maquinas nao eram programaveis, ou seja, a entrada de da-dos era feita apenas por numeros!

E nao por instrucoes para dizer o que fazer com tais numeros.




A primeira maquina programavel foi o tear de Jacquard.

Em 1801, o mecanico frances Joseph Jacquard conseguiu desen-volver um sistema de controle de maquinas de tecelagem base-ado em cartoes perfurados.

Os padroes dos tecidos eram defini-dos por uma sequencia de cartoesperfurados, onde cada cartaocontrolava o movimento de umalancadeira.A maquina utilizava um sistema deganchos e agulhas.Quando um dos ganchos encon-trava um furo, passava atraves delepara levantar uma linha e uma agu-lha introduzia outra linha, tecendo otecido.UFERSA (Campus Angicos) Organizacao e Arquitetura de Computadores Setembro/2014 26 / 58



O tear de Jacquard influenciou o matematico Charles Babbage,que viria a se tornar o precursor da computacao moderna.

A ideia era desenvolver uma maquina capaz de tecer numeros,onde a forma de calcular podia ser controloda por cartoes perfu-rados.

A maquina de Babbage, denomi-nada de Calculador Analtico, se-ria capaz de realizar as quatrooperacoes basicas.

Sua finalidade seria calcular o valorde qualquer expressao matematicaque pudesse ser descrita em um al-goritmo.




O Calculador Analtico recebia como entrada cartoes perfuradoscontendo numeros e instrucoes.

O processamento era realizado por um conjunto de rodas denta-das, denominado moinho, que podia somar com precisao numerosde ate 50 dgitos.

Os numeros e instrucoes lidos eram armazenados em um banco demil registradores, denominado deposito.

Cada registrador podia armazenarum numero de 50 dgitos.

O deposito armazenava os numerosfornecidos na entrada e o resultadodo processamento do moinho.

Alem disso, a maquina era capazde imprimir os resultados.




As instrucoes para o Calculador Analtico foram desenvolvidas pelamatematica Ada Lovelace.

Ada desenvolveu uma seria de instrucoes que continham concei-tos como loops e saltos condicionais.

Por isso, e considerada a primeira programadora da historia.

Na epoca, nao existia energia eletrica e a maquina de Babbageera totalmente mecanica.

As centenas de engrenagens, ro-das e barras apresentavam pro-blemas, pois a metalurgia nao ti-nha tecnologia suficiente para evi-tar imperfeicoes nas pecas.

A maquina de Babbage nuncachegou a funcionar.




A maquina de Charles Babbage e o incio real do desenvolvimentodos computadores como conhecemos hoje.

Identificamos nessa maquina as mesmas ideias de arquitetura doscomputadores modernos:

Entrada de dados;Unidade de memoria;Unidade de processamento;Programa sequencial de operacoes;Sada de dados.

Outra heranca da geracao pioneira foi a algebra de Boole.

Desenvolvida pelo matematico ingles George Boole, a algebra bo-oleana trabalha com apenas duas grandezas: verdadeiro e falso.



Evolucao dos computadores - 1a Geracao

A primeira geracao dos computadores e marcada pelo uso devalvulas.

As valvulas sao dispositivos que controlam a passagem de correnteeletrica.

Assim, atraves da passagem (ou nao) de corrente, era possvel criarcircuitos logicos.

O primeiro computador eletronico de uso geral foi o ENIAC (Elec-tronic Numerical Integrator And Computer).

Desenvolvido na Universidade da Pensilvania, o ENIAC foi criadodurante a 2a Guerra Mundial, no intuito de realizar calculos balsticos.

Tarefa esta que era realizada por 200 pessoas utilizando calculado-ras de mesa.




A preparacao das tabelas balsticas para uma unica arma podialevar ate mesmo dias.

Assim, o uso de computadores era um potencial estrategico paraos governos.

O ENIAC possuia mais de 18 000 valvulas e pesada cerca de 30tonelas.

Ocupada uma sala inteira e era capaz de realizar 5 000 adicoespor segundo.

O ENIAC representava os numeros em uma base decimal. Para tal,possuia um anel de 10 valvulas.

Toda a programacao da maquina precisava ser programada ma-nualmente, por meio de chaves e conexao e desconexao de ca-bos.




O ENIAC possuia diversos circuitos em sua composicao: acumula-dores, circuito de multiplicacao, circuito de inicializacao, circuitode divisao, entre outros.

A combinacao dos circuitos era realizada manualmente, por exem-plo:

O circuito acumulador era formado por 20 registradores de dez dgitoscada.Ele era responsavel por realizar operacoes de adicao, subtracao earmazenamento temporario.Os dados viajavam pelo ENIAC indo de um acumulador ao outro.Quando um acumulador terminava seus calculos, o resultado era co-municado ao acumulador seguinte manualmente, atraves da conexaode cabos operados por tecnicos.

Programar o ENIAC era uma tarefa extremamente tediosa.

Outro problema era nao ter bons mecanismos para depurar de er-ros de programacao que, quando detectados, deviam ser segui-dos passo-a-passo.




O ENIAC so foi concludo em 1946, apos o fim da guerra.UFERSA (Campus Angicos) Organizacao e Arquitetura de Computadores Setembro/2014 35 / 58



A programacao do ENIAC seria muito mais facil se o programa pu-desse ser armazenado na memoria junto com os dados.

Pensando nisso, o matematico Jon Von Neumann comecou o pro-jeto de um novo computador: o IAS (Princeton Institute for Advan-ced Studies).

Esse computador deveria ser capaz de armazenar um programa.Para tal, seguia a seguinte estrutura:

Memoria principal, para armazenardados e instrucoes;Unidade Logica e Aritmetica, paraoperar sobre dados binarios;Unidade de Controle, para interpre-tar as instrucoes na memoria;Equipamento de entrada e sada.




Figura 1 : Modelo da maquina de Von Neumann

Princpios da maquina de Von Neumann:Se era um computador, precisava-se um dispositivo para realizar asoperacoes elementares da aritmetica mais frequentes.O controle logico do dispositivo pode ser executado de forma maiseficiente por um orgao de controle geral.




Figura 2 : Modelo da maquina de Von Neumann

Princpios da maquina de Von Neumann:Se o dispositivo precisava executar sequencias de operacoes longase complicadas, precisava de uma memoria consideravel.A maquina precisava ter unidades para transferir informacoes.




Praticamente todos os computadores de hoje possuem essa mesmaestrutura e funcao.

Apos o IAS, diversos outros computadores surgiram.

Um deles foi o UNIVAC (Universal Automatic Computer), primeirocomputador comercialmente bem sucedido.

Esses computadores tinham como aplicacoes problemas estatsticos,problemas de logstica, calculos algebricos de matrizes, entre ou-tros.

Por volta de 1955, entra em cena a empresa IBM.

A principal fabricante de cartoes perfurados da epoca lancou umaserie de famlia de computadores, tornando-se dominante no mer-cado.




A segunda geracao de computadores e marcada pela substuicaodas valvulas pelos transistores.

O transistor tem a mesma funcao da valvula: permitir ou nao pas-sagem de corrente eletrica.

No entanto, o transistor e menor, mais barato e dissipa menos calorque a valvula.




A primeira empresa a oferecer um computador com a tecnlogiade transistores foi a IBM.

As maquinas dessa geracao eram menores e mais rapidas que ageracao anterior.

Tambem consumiam menos energia!

Outros avancos foram:A introducao de unidades logicas e aritmeticas e unidades de con-trole mais complexas;O uso de linguagens de programacao de alto nvel;O surgimento do software de sistema.

Outro fator importante dessa geracao e a fundacao da empresaDEC (Digital Equipment Corporation), que ira lancar seu primeirocomputador: o PDP-1.

Este dara incio ao fenomeno do minicomputador, que sera marcoda 3a geracao.




O minicomputador PDP-1:




A terceira geracao sera marcada pelo surgimento dos circuitos in-tegrados.

Para compreender os circuitos integrados primeiro precisamos com-preender as funcoes do computador:

Processamento de dados: atividade inerente ao computador.

Armazenamento de dados: mesmo que somente se armazene tem-porariamente dados que estao sendo processados.

Movimentacao de dados: o computador precisa movimentar dadosentre ele e o mundo exterior.

Controle: e preciso controlar o funcionamento dessas tres funcoes.

Do ponto de vista da microeletronica, precisamos de dois compo-nentes basicos para realizar as funcoes de um computador digital:portas logicas e celulas de memoria




As portas logicas implementam funcoes booleanas.Ex.: IF A AND B ARE TRUE THEN C IS TRUE

Ja as celulas de memoria sao dispositivos que podem armazenarum bit de dados.

Interconectando grandes quantidades desses dispositivos funda-mentais pode-se ter um computador.

Assim, relacionando os dispositivos fundamentais com as funcoesdo computador temos:

Processamento de dados: fornecido por portas logicas.

Armazenamento de dados: fornecido por celulas de memoria.

Movimentacao de dados: tratam-se dos caminhos entre os elementosque permitem a movimentacao de dados.

Controle: os caminhos entre os componentes transportam sinais decontrole para ativar (ou nao) os componentes.




Figura 3 : Elementos fundamentais do computador

Quando o sinal de controle de uma porta e ON, a porta realizasua funcao sobre as entradas de dados e produz uma sada.

Quando o sinal de controle de uma celula de memoria e LEITURA,o bit que esta na celula vai para o fio de sada.

Quando o sinal de controle de uma celula de memoria e ESCRITA,a celula armazena o bit que esta no fio de entrada.

A criacao de circuitos integrados explora o fato de que os com-ponentes fundamentais podem todos serem fabricados a partir deum semicondutor como o silcio.




Figura 4 : Producao de um Circuito Integrado

Passo 1: A partir de um cilindro de silcio, sao cortadas fatias bemfinas, gerando wafers de silcio.





Passo 1: Em cada uma dessas areas sera gravado um padrao decircuito identico (processo de litografia).





Passo 2: Cada area corresponde a um processador, que, por suavez, trata-se de um conjunto de diversas portas e/ou celulas dememorias e pontos de conexao.





Passo 3: Cada chip e entao empacotado em um involucro compinos de conexao.




Figura 8 : Centenas de chips em um wafer de silcio

Na epoca, foi um grande desafio colocar o computador em umchip. Inicialmente, somente algumas portas e celulas de memoriapodiam ser confiavelmente manufaturadas.




Esses primeiros circuitos integrados sao conhecidos como Integracaoem Pequena Escala (SSI, do ingles Small-Scale Integration).

Com o passar do tempo, foi possvel empacotar mais e mais com-ponentes no mesmo chip.

Figura 9 : Anuncio do chip 4004 da Intel




Em 1965, um dos cofundadores da Intel, Gordon Moore, fez umaprevisao sobre o futuro do hardware que ficaria conhecida comoa lei de Moore.

Moore observou que o numero de transistores que poderia ser co-locado em um unico chip estava dobrando a cada ano.

Fazendo um estudo sobre o tamanho das pastilhas, as dimensoesdos componentes e as tecnologias de integracao utilizadas, Mooreestabeleceu que o mesmo ritmo de crescimento continuaria.

O ritmo de crescimento diminui na decada de 70 e permaneceudesde entao, estabelecendo a lei de Moore:

O numero de transistores dos chips teria um aumento de 100% acada perodo de 18 meses.




Figura 10 : Crescimento do numero de transistores.

A lei de Moore teve grande importancia, pois serviu como parametropara as industrias de semicondutores.

Estas dispenderam bastante recursos para alcancar as previsoes,acelerando o desenvolvimento a nvel de hardware.

Alem disso, a lei serve como parametro para verificar se a industriaesta crescendo como esperado.




Consequencias da Lei de Moore1 O custo de um chip de computador permaneceu praticamente

inalterado.

2 Os elementos logicos e de memoria ficaram mais proximos dentrodo chip, aumentando a velocidade da operacao.

3 O computador tornou-se menor, sendo mais conveniente coloca-lo em diversos ambientes.

4 Houve uma reducao nos requisi-tos de potencia e resfriamento.

5 As interconexoes dos circuitos in-tegrados eram mais confiaveisdo que as conexoes anterioresfeitos a` solda.

Figura 11 : GordonMooreUFERSA (Campus Angicos) Organizacao e Arquitetura de Computadores Setembro/2014 54 / 58



A partir da 3a geracao, nao existe uma definicao clara das proximasgeracoes.A 4a geracao e marcada pelos microcomputadores.Uma das evolucoes foi na memoria. Antes, era composta por aneisde material ferromagnetico.Era uma memoria de leitura destrutiva que precisava restaurar osdados assim que lidos.A memoria passou a ser semicondutora, utilizando materiais semi-condutores. Essa tecnologia e adotada ate hoje.

Figura 12 : Memoria com aneis e 1o chip de memoria DRAM (1972)UFERSA (Campus Angicos) Organizacao e Arquitetura de Computadores Setembro/2014 55 / 58



Surgiram tambem novos esquemas de integracao de circuitos inte-grados:Integracao em grande escala

LSI, do ingles Large-Scale Integration.Mais de 1000 componentes em um unico chip.

(Integracao em escala muito grandeVLSI, do ingles Very-Large-Scale Integration.Mais de 10 000 componentes por chip.

(Integracao em escala ultragrandeULSI, do ingles Ultra-Large-Scale Integration.Mais de um milhao de componentes por chip.

Lei de Moore hojePara continuar na lei de Moore, os transistores teriam que chegar ao ta-manho de atomos. Embora possvel, o comportamento dos transistoresseriam altamente instaveis.




Existe uma outra forma de definir as geracoes da evolucao do com-putador.

Essa definicao leva em consideracao a tecnologia de hardwarefundamental utilizada na epoca.

Geracao Datas TecnologiaVelocidade (Operacoes porsegundo)

1 1946 - 1957 Valvula 40 0002 1958 - 1964 Transistor 200 0003 1965 - 1971 SSI 1 000 0004 1972 - 1977 LSI 10 000 0005 1978 - 1991 VLSI 100 000 0006 1991 - .... ULSI 1 000 000 000

Tabela 1 : Geracoes do computador por tecnologia de hardware



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