Software Básico Introdução aos sistemas de computação Tanembaum, capítulo 1

Software BásicoSoftware Básico

Introdução aos sistemas de computação

Tanembaum, capítulo 1

Organização Estruturada de Computadores 2

A visão do usuário

O usuário enxerga software, velocidade, capacidade de armazenamento e

funcionalidades de periféricos


“Visão do computador”

• Circuitos eletrônicos° Transistores interconectados° Chaves ligadas ou desligadas

• Linguagem de máquina° Conjunto de instruções fundamentais que a máquina

executa° Expressa como um padrão de 0s e 1s


Adendo: escalas, unidades e convenções

• Bit (b), Byte (B), Word (w)• Kilo (k/K), Mega(M), Giga(G), Tera(T)• Mili(m), Micro(µ), Nano(n), Pico(p)• Diferentes escalas:

° B: bytes (potências de 2)• 64 KB = 65.565 bytes

° b: bits (potências de 10)• 1 Mb/s = 1.000.000 bits por segundo

... há divergências...– você sabe o que é Kibi, Mibi, Gibi, Tibi?...


Arquiteturas em níveis

• Qualquer computador atual é extremamente complexo para ser estudado de uma vez…

• A solução é organizar a máquina em níveis:° cada nível é definido em função do anterior° problemas são expressos em função da interface

definida para cada nível° máquinas virtuais e linguagens associadas


Máquina virtual

• Imagine que exista uma máquina hipotética (virtual) capaz de executar a linguagem L° Máquina M

• Escreva um programa em L° M deve ser capaz de executar esse programa

diretamente• Mesmo que a máquina virtual seja complexa, o

programa ainda pode ser executado a partir da máquina do nível inferior

Falha recorrente no livro: máquinas “reais”


Tradução x Interpretação

• Programas representados em um nível têm que ser convertidos para processamento no nível inferior

• Tradução (compilação)° Programa na linguagem do nível L é convertido em

equivalente no nível L-1

• Interpretação° Cada instrução do nível L é analisada e o seu efeito

é simulado pelo interpretador (programa de M-1)


Linguagens, Níveis e Máquinas Virtuais


Arquiteturas em níveis atuais

Linguagens de alto nível

Linguagem assembly

Sistema operacional

Linguagem de máquina

Microarquitetura

Lógica digital

Tradução (compilador)Interpretação

Tradução (assembler)

Interpretação parcial (chamadas do sistema)

Interpretação (microprograma)Execução direta

Hardware

Linguagem de máquina = nível de Arquitetura do Conjunto de Instruções - ISA



Linguagens de alto nível

Linguagem assembly

Sistema operacional

Linguagem de máquina

Microarquitetura

Lógica digital

Tradução (compilador)Interpretação

Tradução (assembler)

Interpretação parcial (chamadas do sistema)

Interpretação (microprograma)Execução direta

Hardware

Suporte aosNíveis superiores

Programadores de sistemas

Programas consistem em séries de números

Programadores de aplicações

Programas contêmPalavras e abreviações

Java: código primeiro compilado para bytecode (semelhante à ISA – nível 2)depois interpretado


•Arquitetura = conjunto de tipos de dados, operações e características de cada nível

•Arquitetura de um nível• trata de aspectos que são visíveis ao usuário daquele nível• ex: quantidade de memória disponível é parte da arquitetura• aspectos de implementação não fazem parte da arquitetura• tecnologia usada para construir memória não é parte da arquitetura


Hardware e Software

• Hardware: objetos tangíveis° Circuitos eletrônicos, componentes físicos

• Software: idéias abstratas° Algoritmos, programas

• Início: fronteira era nítida

• Com o tempo: adição, remoção, fusão de níveis : fronteira indistinta


Hardware e Software

• Software e hardware são logicamente equivalentes!• “Hardware é apenas software petrificado”, Karen Panetta Lentz

• Qualquer instrução em software pode ser implementada em hardware

• Qualquer instrução executada em hardware pode ser simulada em software

• Decisão depende de custo, velocidade, confiabilidade, e frequência de mudanças esperadas.


• Primeiros computadores, década de 40:• 2 níveis: • Programação feita no nível ISA• Nível lógical digital (hardware) executava• Circuitos complicados, dífíceis de entender

e de montar• Baixa confiabilidade

Evolução das máquinas multiníveis

ENIAC, 1946



• Invenção da microprogramação (Wilkes, 1951)° Interpretador embutido imutável (microprograma)° Instruções do nível ISA eram interpretadas por várias

operações mais simples° Simplificação do hardware: reduzir número de

válvulas, aumentar confiabilidade° Tempo de processamento necessário para fazer a

interpretação (overhead)° Microprogramação: atingiu seu apogeu na década de

1970


• A programação evoluiu:° passou a ser feita com

cartões perfurados

• Mas o programador ainda tinha que controlar o computador diretamente° Máquina ociosa



• ~1960: sistema operacional

• Automatizar trabalho do operador

• Minimizar desperdício de tempo

• Programador produzia cartões de controle junto dom o programa que eram lidos e executados pelo SO


• Ex de job no SO FMS

*JOB, 5494, BARBARRA

* FORTRAN

Programa Fortran

* DATA

Cartões de dados

* END


• Os sistemas operacionais evoluíram: • novas instruções, prinipalmente de E/S

• No início: • processamento em batch ou lote (fim dos '50)

• Várias horas entre instante em que programa entrava na máquina e horário que terminava

• Sistemas de tempo compartilhado/time sharing (início ´60)• Vários programadores se comunicam diretamente com o computador• Terminais remotos conectados ao computador central por linhas telefônicas


IBM 709, 1959



• Migração de funcionalidade para microcódigo ('70)° Extensão do microprograma equivalia a acrescentar

novo hardware° Explosão de novas instruções para simplificar a vida do

programador assembly° Muitas insruções não eram essenciais pois seu efeito

podia ser conseguido com facilidade com outras instruções

• EX: INC vs. ADD° Exemplos importantes: DEC PDP, DEC VAX° Incorporada aos micro-processadores (menos HW)



• Eliminação da microprogramação ('90)° Microprogramas extensos geram lentidão° Tendência:

• Eliminar/reduzir microprograma• Reduzir drasticamente conjunto de instruções• Execução direta das instruções restantes

° Compiladores não precisam de instruções complexas° Hardware se tornam mais barato

... Mas o mundo continua dando voltas ...Java e congêneres utilizam byte codes (interpretados)


Um pouco de história

Era uma vez...


A pré-história

• Máquinas mecânicas• Computadores baseados em relés• O computador ABC (não terminado)

Computadores Mecânicos (1642 – 1945)

• Blaise Pascal, 1642: 1ª máquina de calcular operacional° totalmente mecânico,° funcionava com uma manivela operada à mão, ° projetado para ajudar o pai, coletor de impostos,° fazia soma/subtração


Blaise Pascal

• Pascaline – calculadora simples, 1642


Leibniz

• Calculadora c/ 4 operações básicas, 1672


• Charles Babbage (1792 – 1871)° 1ª tentativa: dispositivo mecânico

• soma/subtração, • realizava um único algoritmo• saída: perfurava resultados sobre chapa e gravação de cobre

(prenúncio de CD-Roms)

° 2ª tentativa (1834): 1ª máquina analítica (ainda mecânica)

• 4 unidades: armazenagem, moinho, leitora de cartões perfurados, saída perfurada e impressa

• armazenagem: 1000 palavras de 50 algarismos decimais• moinho: soma/subtração/multiplicação/divisão / testes• uso geral: podia realizar cálculos diversos• Produção de software: Babbage contratou Ada Lovelace –

1ª programadora de computadores


Babbage (1792-1871)

• Engenho diferencial


Charles Babbage (1792-1871)

• Engenho analítico


Charles Babbage (1792-1871)


• Charles Babbage (1792 – 1871)° 1ª tentativa: dispositivo mecânico, soma/subtração , realizava um único algoritmo, saída:

perfurava resultados sobre chapa e gravação de cobre (prenúncio de CD-Roms)° 2ª tentativa (1834): 1ª máquina analítica (ainda inteiramente mecânica)

4 unidades: armazenagem, moinho, leitora de cartões perfurados, saída perfurada e impressa

armazenagem: 1000 palavras de 50 algarismos decimais

moinho: soma/subtração/multiplicação/divisão / testes

uso geral: dependendo dos cartões de entrada, podia realizar cálculos diversos

Produção de software: Babbage contratou Ada Lovelace – 1ª programadora de computadores

• Konrad Zuse, 1930´s: 1ª máquina calculadora automática com relés eletromagnétios° Vários outros esforços nesta época° John Atanasoff: máquina super-avançada para época, baseada em aritmética binária.

Máquina nunca se tornou realmente funcional° Howard Aiken,: revisitou trabalho de Babbage e decidiu construir com relés um computador

de uso geral. Quando terminou, os computadores de relés estavam obsoletos.


Hollerith

• Proc. de cartões perfurados (censo 1890)• Empresa viria a se transformar na IBM (1924)


• Konrad Zuse, 1930´s: ° 1ª máquina calculadora automática com relés eletromagnétios

• John Atanasoff: ° máquina super-avançada para época, baseada em aritmética

binária.° Máquina nunca se tornou realmente funcional

• Howard Aiken: ° revisitou trabalho de Babbage e decidiu construir com relés um

computador de uso geral. ° Quando terminou, os computadores de relés estavam obsoletos.


Atanasoff-Berry Computer (ABC), 1939

• Incompleto• válvulas• lógica binária• memória

dinâmica


Conrad (?) Zuse

• Máquina digital (relés), 1941


Harvard Mark I

• Calculador baseado em relés• Primeiro “totalmente

automático”


Primeira geração: válvulas (1945-1955)

• Substitutos naturais dos relés• Menor espaço, maior velocidade, sem partes móveis• Grande estímulo para computador eletrônico:

• Segunda Guerra Mundial• Mensagens alemãs enviadas codificadas

usando ENIGMA


Alan Turing

• COLOSSUS, 1943• Primeiro computador

eletrônico (válvulas) programável

• Projeto do Governo

Britânico

• Segredo militar por 50 anos

• Desenvolvido para

decodificar msgs

nazistas


Eckert e Mauchley

• ENIAC (Eckert e Mauchley, 1946)° Necessidade de cálculos pesados pelo exército dos EUA° Idéias de Atanasoff e outros° 18000 válvulas e 1500 relés° 30 toneladas, 140 kW° Cabos e 6000 chaves° Arquitetura:20 registradores cada

um um número decimal de 10 algarismos

° Primeiro “bug”° Após a guerra,“escola de verão”

Mauchley & Eckert: ENIACElectronic Numerical Integrator and Compute

Mauchley & Eckert: UNIVAC (#1 no mercado)


John Von Neumann

• IAS – a máquina de von Neumann (1952)° Arquitetura dos computadores modernos° Programa armazenado em memória° Unidades de controle e aritmética

Memória

Unidade de controle

Unidadelógica-

aritmética

Entrada

SaídaAcumulador

John Von Neumann

• IAS – a máquina de von Neumann (1952)° Memória: 4096 palavras de 40 bits

° Cada palavra: 2 instruções de 20 bits ou um inteiro de 40 bits com sinal

° Instruções: 8 bits para identificar tipo, 12 bits para especifica um das 4096 palavras de memória

° Registrador Acumulador: dentro da Unidade Lógica e Aritmética

A Primeira Geração: Válvulas (1945 – 1955)

• IBM, 1953: 701

° 2048 palavras de 36 bits° Início da atuação da IBM no mercado de computadores° Primeiro de uma série de máquinas científicas que

passaram a dominar o setor na próxima década


Outros computadores da época

• EDSAC, 1949• UNIVAC, 1951• Whirlwind, 1951• MANIAC, 1952


Segunda geração: transistor (1955-1965)

• Menos falhas, menor espaço• DEC PDP-1• IBM 1401• CDC 6600• Burroughs 5000: programação em ALGOL

incluíram muitas características no hardware para facilitar tarefa do compilador

“software também é importante”

A Segunda Geração: Transistores (1955 – 1965)

• MIT, 1950´s: TX-0 – Transistorizes eXperimental Computer 0 ° 1º computador transistorizado° Depois veio o TX-2 que acabou nao dando em nada° Kenneth Olsen, um dos engenheiros, fundou a empresa Digital

Equipment Corporation (DEC) em 1957

• DEC, 1960: PDP-1° 4096 palavras de 18 bits ° Podia executar 200 mil instruções por segundo: metade do desempenho

do IBM 7090, o mais rápido na época° Porém o PDP1 custava 120 mil dólares, o 7090 custava milhões° DEC vendeu dezenas de PDP-1: nascia a indústria de

minicomputadores° Visor e capacidade de plotar pontos na tela -> criação de videogames


DEC PDP-1, 1960

• Primeiro “mini-computador”

A Segunda Geração: Transistores (1955 – 1965)

• IBM: computação científica ° 7090, 7094 tempo de ciclo de 2 microssegundos

• IBM, processamento comercial, periféricos° 1401: máquina pequena voltada para empresas° 1401: arquitetura complexa, sem registrador, palavra sem tamanho fixo


Control Data: CDC 6600, 1964

• Primeiro “super-computador”° várias unidades de processamento° estrutura pipeline° múltiplas threads° Arquitetura estava décadas

a frente do seu tempo

Projetista: Seymour Cray


DEC PDP-8, 1965

• Mini-computador com barramento padrão° Inovação: barramento único

(omnibus) conectando cpu, memória, console, E/S

• Berço do Unix (Bell Labs)


Terceira geração: CIs (1965-1980)

• Invenção do circuito integrado por Robert Noyce em 1958: ° dezenas de transistores em um único chip

• Maior integração permitiu reduções significativas de tamanho


IBM System/360

• Arquitetura de máquina comum a vários modelos° Família de máquinas

• compatibilidade° multiprogramação° emulava 1401 e 7090

(máquinas virtuais)° Microprogramado

• Um microprograma para cada máquina alvo

° Espaço de endereçamento:• 224 bytes: parecia muito no início mas gerou problemas de

compatibilidade na década de 80 (memória insuficiente)


DEC PDP-11

• Bastante popular em universidades

• Ligado à difusão do Unix• Instruções complexas• Seguido pela linha VAX


Quarta geração: VLSI (1980-?)

• Integração em Escala Muito Grande

• Computador em um chip (4004)

• Explosão dos computadores pessoais° Kit com chip Intel 8080 x Apple

• IBM decide entrar no mercado de computadores pessoais° IBM Personal Computer construído com peças do mercado

(Intel 8080): grande popularidade° Sistemas operacional MS-DOC da Microsoft° Projeto aberto: vários clones, assim nascia a indústria de PCs

• Apple Macintosh – interface gráfica

• Microsoft Windows – rompimento com IBM

• 1992: DEC lança o ALPHA de 64 bits


Quarta geração: VLSI (1980-?)

• Era dos antagonismos:° IBM PC x Macintosh° IBM PC x Workstations° RISC x CISC° DOS/Win x Unix° Microsoft x o resto


Quinta geração – computadores invisíveis?

• A Internet está presente em todo lugar• Processadores estão cada vez menores• Podem ser embutidos em quase tudo

° PDAs° Celulares° Eletro-eletrônicos° Máquinas (automóveis)° Sensores° RFIDs

• A idéia existe há anos, mas “a hora é agora”


Tendências fundamentais: “Lei” de Moore

O no. de transistores dobra a cada 18 meses


Tendências fundamentais: “Lei” de Moore

O no. de transistores dobra a cada 18 meses


Tendências fundamentais: “Lei” de Nathan

• Software é um gás: ele se expande até ocupar todo o recipiente que o contém

• Exemplo clássico: Win*


Marcos da Arquitetura de Computadores


Marcos da Arquitetura de Computadores


Espectro dos computadores atuais

Tipo Preço Aplicação

Computador descartável 1 Cartões musicais

Computador embutido 10 Relógios, carros, eletro-eletrônicos

Computador de jogos 100 Jogos (vídeo-games simples)

Computador pessoal 1K Estações de trabalho

Servidor 10K Servidores de rede

Clusters de estações 100K Supercomputadores departamentais

Mainframe 1M Processamento de grande volume de dados

Supercomputadores 10M Previsão do tempo, armas nucleares


Computador Pessoal


Exemplos de famílias de computadores

• Pentium 4 da Intel• UltraSPARC III da Sun Microsystems• O chip 8051 da Intel, para sistemas embutidos


Família de computadores Intel



Lei de Moore para chips de CPU (Intel).



Chip Pentium 4.

Direitos de reprodução da Intel Corporation, 2003, utilização permitida.


Família de computadores Sparc

• Estações de trabalho pessoais Unix• Sun computers (Stanford University Network)

° “The Network is the Computer”

• SPARC: Scalable Processor Architecture° Apenas definiu a arquitetura, diversos fabricantes

fizeram suas implementações

• Exemplo clássico de processador RISC° Posteriormente o conjunto de instruções foi extendido


Família MCS-51

• “Um computador em um chip”° CPU 8 bits° Memória ROM ° Memória RAM° UART (serial)° Temporizadores° Saídas de controle (binárias ou analógicas)


Família MCS-51


Próximo capítulo

• Introdução aos componentes básicos da arquitetura° processador° memória° dispositivos de entrada e saída

• Princípios de projeto dos vários componentes


Documents

Software Básico Introdução aos sistemas de computação Tanembaum, capítulo 1