© 2007 by pearson education alterado do original por fábio botelho introdução capítulo 1

© 2007 by Pearson EducationAlterado do original por Fábio Botelho

Introdução

CapítuloCapítulo

11


Introdução

– Sopa de letrinhas• Computador digital• Programa de computador• Circuitos eletrônicos• Transistor• Linguagem de máquina• Níveis e máquinas reais• Tradução x Interpretação• Portas digitais• Registradores• Microprograma• Sistema Operacional


Introdução

– Um computador digital é uma máquina que pode resolver problemas para as pessoas executando instruções que lhe são dadas.

– Programa de Computador é então uma sequência de instruções que descreve como fazer uma tarefa


Introdução

– Os circuitos eletrônicos de cada computador podem reconhecer e executar diretamente um conjunto limitado de instruções que raramente são mais complexas que:

• Some dois números• Verifique se um número é zero• Copie dados de uma parte para outra da memória do

computador


Introdução

– Os programas de computadores para serem executados devem ser traduzidos para instruções de máquina

– Linguagem de máquina são as instruções primitivas com as quais as pessoas podem se comunicar com o computador


Introdução

– Níveis e máquinas reais• A idéia é projetar um conjunto de instruções que sejam

mais convenientes para as pessoas usarem do que as instruções que já vem embutidas na máquina

• A máquina de nível 0 executa a linguagem de nível 0• A máquina de nível 1 executa a linguagem de nível 1


Introdução

– Níveis e máquinas reais• Tradução x Interpretação


Introdução

– Níveis e máquinas reais• Tradução

– Um programa escrito em L1é traduzido instrução após instrução para a equivalente em L0.

– O computador então executa o programa L0 em vez do antigo L1


Introdução

– Níveis e máquinas reais• Interpretação

– Um programa escrito em L0 considera um programa escrito em L1 como entrada de dados e examina instrução a instrução, interpretando-as uma após a outra, obtendo e executando a sequência equivalente de instruções em L0.


Introdução

– Níveis e máquinas reais• Tradução x Interpretação

– São semelhantes. – Em ambos os métodos, o computador executa instruções em

L1 que realizam sequências equivalentes em L0– A diferença é que na tradução, todo o programa L1 é

convertido para L0. O programa L1 é descartado e então o novo programa L0 é carregado na memória do computador e executado


Linguagens, Níveis e Máquinas Reais

Máquina multinível.

Cada linguagem usa a antecessora como base, de modo que podemos considerar um computador que use esta técnica como uma série de camadas ou níveis, uma sobre a outra.

Interessa para os desenvolvedores apenas a linguagem de nível superior


Máquinas Multiníveis Contemporâneas

Computador de seis níveis. O método de suporte para cada nível está indicado abaixo dele (junto com o nome do programa de suporte).

Dirigidos à execução dos interpretadores e tradutores que dão suporte aos níveis mais altos

Desenvolvidos pelos programadores de sistemas

Voltados aos programadores de aplicação

Utilizam interpretadores e tradutores

Geralmente utilizam interpretadores

Níveis 1,2 e 3 utilizam linguagem numérica

Níveis 4 e 5 utilizam palavras na linguagem



– Nível de Dispositivo ( Abaixo do nível 0)• Domínio da engenharia da eletricidade• Projetista vê transistores individuais

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– Nível Lógico Digital (0)• É o verdadeiro hardware da máquina• Seus circuitos executam os programas em linguagem de máquina• Objetos de interesse são as portas• Cada porta possui uma ou mais entradas digitais ( 0 ou 1). Computa como

saída alguma função simples a partir das entradas, tais como: E (AND) ou OU (OR)

• Cada porta possui poucos transistores• Um pequeno número de portas combinadas forma uma memória de 1 bit ( 0

ou 1)• As memórias de 1 bit podem ser combinadas em grupos de 16, 32 ou 64 bits

e formam os registradores• Portas também podem ser combinadas para formar o próprio mecanismo de

computação



– Nível da Microarquitetura (1)• Formado por um conjunto de 8 a 32 registradores que

formam uma memória local e um circuito ALU / ULA• Arithmetic Logical Unit (ALU) ou Unidade Lógica e

Aritmética é capaz de executar operações simples• Os registradores se conectam à ULA para formar um

caminho de dados• A operação básica de um conjunto de dados consiste em

selecionar um ou dois registradores, fazendo com que a ULA efetue algo com eles

– E.g. some-os e armazene o resultado em algum registrador



– Nível da Microarquitetura (1)• Em algumas máquinas a operação do caminho de dados

é controlada por um programa denominado microprograma, em outras é controlada diretamente por hardware

• Em máquinas controladas por software, o microprograma é um interpretador para as funções de nível 2

– E.g. instrução ADD (SOME) é carregada, seus operando são lidos para dentro do registrador, a soma é calculada na ULA e o resultado é enviado ao local adequado



– Nível Instruction Set Architecture - ISA (2)• No português, Arquitetura do Conjunto de Instruções• Quando descreve um conjunto de instruções, estão de

fato descrevendo as instruções executadas por interpretação pelo microprograma ou diretamente pelos circuitos do hardware



– Nível de Máquina do Sistema Operacional (3)• Híbrido, i.e., algumas instruções são executadas pelo

sistema operacional e outras pelo microprograma ou controle incorporado no hardware

• Grande parte de suas instruções também estão no nível ISA (2)

• Define novas instruções , uma organização diferente de memória, a capacidade de executar dois ou mais programas ao mesmo tempo



– Nível de Máquina do Sistema Operacional (3)• As novas funcionalidades do nível 3 são executadas por

um interpretador que roda no nível 2, conhecido como sistema operacional

– O S.O é portanto um interpretador que executa no nível ISA

• As instruções de nível 3 idênticas às de nível 2 são executadas diretamente pelo microprograma ou hardware e não pelo sistema operacional



– Nível da Linguagem de Montagem - Assembly (4)• Forma simbólica para uma das linguagens do nível 5 ou

superiores• Fornece um método para as pessoas escreverem

programas para os níveis 1, 2 e 3 em uma forma não tão desagradável quanto a linguagem de máquina real em si

• Os programas são primeiramente traduzidos para a linguagem da máquina real dos níveis 1, 2 ou 3 e em seguida interpretados

• Assembler é o programa que realiza a tradução das instruções em nível 4



– Nível de Linguagem Orientada a Problemas (5)• Consiste em linguagens projetadas para serem usadas pelos

programadores de aplicação• Denominadas linguagens de alto nível• C, C++, C#, JAVA, LISP, PROLOG• São Traduzidas para os níveis 3 ou 4 por programas

conhecidos como compiladores• Podem ser interpretados ao invés de traduzidos, e.g., PHP,

ASP• JAVA primeiro é traduzido para uma linguagem semelhante à

ISA, denominada bytecode JAVA, para em seguida ser interpretada pela JVM


Arquitetura de Computadores

• É o estudo de como projetar as partes de um computador que sejam visíveis aos programadores, i.e., – Tipos de dados, operações e características de cada

nível– Quantidade de memória disponível


Evolução das máquinas multiníveis

• Programas escritos em uma verdadeira linguagem de máquina (nível 1) de um computador, podem ser executados diretamente pelos circuitos eletrônicos (nível 0) do computador sem nenhum interpretador ou tradutor

• Os circuitos eletrônicos, junto com a memória e dispositivos de entrada e saída, formam o hardware do computador

Software X Hardware



• O hardware consiste em:

Circuitos Integrados

Placas de Circuito Impressos

Cabos Memória Fontes de Força

Processador

Impressora



• Software consiste em algorítmos, ou seja, instruções detalhadas que dizem como o computador deve fazer algo, e suas representações no computador, denominadas de programas de computador



• Nos primeiros computadores a fronteira entre Hardware e Software era nítida

• Com o tempo no entanto essa fronteira ficou bastante indistinta devido à adição, remoção e fusão de níveis à medida que os computadores evoluiram

• Na verdade Hardware e Software são logicamente equivalentes



• Qualquer operação feita por software pode também ser realizado por hardware

• Hardware é software petrificado

• Qualquer operação feita por hardware pode também ser realizado por software

Um chip de computador



• Invenção da microprogramação• Invenção do sistema operacional• Migração de funcionalidade para microcódigo• Eliminação da microprogramação



• Invenção da microprogramação– Primeiros computadores digitais da década de 40 tinham

somente dois níveis:• Nível ISA, no qual era feita toda a programação• Nível Lógico Digital, executava os programas

– Em 1951, Maurice Wilkes, pesquisador de Cambridge, sugeriu projetar um computador de três níveis para simplificar bastante o hardware



• Invenção da microprogramação– Assim surge o Microprograma, ou seja, um interpretador

embutido, imutável, cuja função era executar programas de nível ISA por interpretação

– O hardware teria de executar o microprograma, com um número limitado de instruções, consequentemente menor necessidade de circuitos eletrônicos

– 1950 – Microprograma era pouco utilizado– 1960 – Mais difundido– 1970 – Idéia dominante



• Invenção do Sistema Operacional (S.O)– Próximo a 1960 foi criado o Sistema Operacional visando

diminuir o desperdício de tempo ao automatizar o trabalho das pessoas que queriam submeter jobs a serem executados pelo computador

– O S.O., era mantido o tempo todo no computador– O programador produzia certos cartões de controle para

que não fossem confundidos com cartões de programa e de dados (identificados pelo *)



Exemplo de trabalho para o sistema operacional FMS (Fortran Monitor System) no Mainframe IBM 709

Finalidade de contabilidade

Instr ução para carregar o compiladorA partir de uma fita magnética

Leitura do Programa em Fortrane Compilação

Instrução para executar o programa traduzido e ler os dados de entrada

Invenção do Sistema Operacional (S.O)



• Invenção do Sistema Operacional (S.O)– Nos anos que se seguiram a 1960, os S.Os tornaram-se

cada vez mais sofisticados– Novas instruções, características e funções foram

adicionadas ao nível ISA, até ele parecer um novo nível– O nível de S.O:

• Funções idênticas ao nível ISA• Funções de entrada e saída totalmente diferentes

– Novas instruções começaram a ficar conhecidas como macros de sistema operacional ou chamadas do supervisor

– Termo atual é chamada do sistema



• Invenção do Sistema Operacional (S.O)– Início da década de 60 desenvolveram S.Os que

permitiam a vários programadores se comunicarem diretamente com o computador, ao invés do sistema em lote ou batch

– Sistemas tinham terminais remotos ligados ao computador central através de linhas telefônicas

– Eram os chamados Sistemas de Tempo Compartilhado ou timesharing

– Os sistemas operacionais fazem mais do que interpretar características adicionais ao nível ISA



• Invenção do Sistema Operacional (S.O)

Sistema de Tempo Compartilhado ou timesharing da década de 60



• Migração de Funcionalidade para Microcódigo– Novas instruções acrescentadas, apenas ampliando o

microprograma• Podia-se acrescentar novas instruções de máquina (hardware) por

programação• Explosão virtual de conjuntos de instruções de máquina• E.g. instrução INC (mais rápida) e instrução ADD



• Migração de Funcionalidade para Microcódigo– Instruções mais frequentes adicionadas ao microprograma

• Multiplicação e divisão de inteiros• Aritmética para ponto flutuante• Chamar e sair de procedimentos• Acelerar loops (laços)• Manipular cadeias de caracteres

– Pela facilidade de acrescentar novas instruções, outras características foram adicionadas ao microprograma

• Aceleração de cálculos que envolvessem vetores (indexação)• Movimentação de programas na memória após o início da execução (facilidade de

relocação)• Sistema de interrupção que avisa o computador quando uma operação de E/S é

concluída• Comutação de processo – capacidade de interromper um programa e iniciar outro

com um pequeno número de instruções• Instruções especiais para processar arquivos de áudio, imagem e multimídia



• Eliminação da Microprogramação– Os microprogramas engordaram durante as décadas de

1960 e 1970• Tendiam a ficar cada vez mais lentos quanto mais volumosos

– Percebeu-se então que eliminando o microprograma, promovendo uma drástica redução no número de instruções, máquinas ficavam mais rápidas

• Redução drástica no conjunto de instruções• Instruções restantes executadas diretamente com caminho de

dados controlado por hardware

– O projeto de computadores fechou um círculo, voltando ao ponto antes da invenção da microprogramação por Wilkes


Marcos da Arquitetura de Computadores (1)


Marcos da Arquitetura de Computadores (2)


Gerações de computadores

• Geração ZeroComputadores Mecânicos (1642–1945)

• Primeira GeraçãoVálvulas (1945–1955)

• Segunda GeraçãoTransistores (1955–1965)

• Terceira GeraçãoCircuitos Integrados (1965–1980)

• Quarta GeraçãoIntegração em larga escala (1980–?)



• Geração Zero - Computadores Mecânicos (1642–1945)

– Cientista Blaise Pascal constroi em 1642 uma máquina de calcular com engrenagens e manivela, operada a mão

• Efetuava as operações de adição e subtração




– Em 1672, Matemático Alemão, Leibniz, constroi máquina mecânica que podia multiplicar e dividir, além de somar e subtrair




• Por volta de 1820, Charles Babbage projetou e construiu a máquina diferencial, capaz de somar e subtrair, era usado para calcular tabelas de números úteis para navegação• Executava um único algorítmo• Entrada e saída semelhante encontrada nos CD-ROMs

• perfurando em uma chapa de gravação de cobre




• Charles Babbage (Avô do computador digital moderno) também criou a máquina analítica inteiramente mecânica• Capaz de executar vários algorítmos (programável)• Possuia 4 componentes:

• Armazenagem (memória)• Unidade de cálculo conhecida como moinho• Seção de entrada (leitora de cartões perfurados)• Saída (cartões perfurados e impressora)

• Primeira programadora: Ada Lovelace (Linguagem Ada em homenagem a ela)




• No final da década de 1930, Konrad Zuse construiu uma série de máquinas de calcular automáticas usando relés eletromagnéticos.




• Aiken construiu a Mark I em 1944• Reproduziu com relés o computador de uso geral de Babbage• Tinha 72 palavras de 23 algarismos decimais cada• Tempo de instrução de 6 s

Mark I

Mark II




– Em 1946, Mauchley e Eckert concluiram a construção de um computador eletrônico conhecido como ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer)

• Consistia de 18 mil válvulas e 1500 relés, pesava 30 toneladas e consumia 140 KW

• Tinha 20 registradores cada um com capacidade para um número decimal de 10 algarismos

• Programado com o ajuste de 6 mil interruptores


Máquina de Von NeumannPrimeira Geração - Válvulas (1945–1955)

• John Von Neumman, usou aritmática binária paralela para representar os dígitos• Percebeu que programas e dados poderiam ser representados digitalmente na memória do computador, ao invés de usar cabos e interruptores• Base de todos os computadores digitais modernos ainda hoje



• Possuía 5 partes:• Memória• Unidade Lógica e Aritmética• Unidade de controle• Equipamento de entrada• Equipamento de Saída



• Memória• Consistia de 4.096 palavras, cada uma contendo 40 bits (0 ou 1)• Cada palavra continha ou 2 instruções de 20 bits ou um inteiro de 40 bits com sinal

•A instrução tinha 8 bits para indicar o tipo de instrução e 12 bits para indicar uma das 4.096 palavras da memória



• Unidade Lógica e Aritmética e a Unidade de controle formavam o “cérebro” do computador• Nos computadores modernos são combinadas em um único chip denominado CPU

• Na unidade lógica e aritmética havia um registrador interno especial de 40 bits denominado acumulador• Uma instrução típica adicionava uma palavra de memória ao acumulador ou armazenava o conteúdo do acumulador na memória




– Paralelamente ao trabalho de Von Neumann, o MIT construia o Whirlwind I

• Possuia palavras de 16 bits• Projetada para controle em tempo real • Levou à invenção da memória de

núcleo magnético por Jay Forrester e ao primeiro microcomputador comercial



• Segunda GeraçãoTransistores (1955-1965)

– O transistor foi inventado no Bell Labs em 1948

– Revolucionou os computadores e tornou obsoleto as válvulas

– TX-0 e TX-2 primeiros computadores transistorizados

– PDP-1 surgiu em 1964 e podia realizar 200.000 instruções por segundo

Console do TX-0

PDP-1


PDP-8 Inovação – Barramento únicoSegunda Geração Transistores (1955-1965)

• Barramento é um conjunto de fios paralelos usados para conectar os componentes de um computador• Esta arquitetura é uma ruptura com a da máquina IAS (Von-Neuman) , centrada na memória• Foi adotada para todos os outros computadores desde então


IBM 360

Terceira Geração Circuitos Integrados (1965-1980)• A invenção do circuito integrado permitiu que dezenas de transistores fossem colocados em um único chip • Computadores menores, mais baratos e mais rápidos• Exemplo é a linha de produtos IBM 360


IBM 360

Terceira Geração Circuitos Integrados (1965-1980)• IBM 360• Introduziu os conceitos de multiprogramação• Compatibilidade com programas legados dos computadores anteriores 7094 e 1401 da IBM totalmente diferentes, graças ao uso da microprogramação para a emulação do hardware dos computadores antigos


Quarta Geração – Integração em Larga Escala (1980 - ? )• VLSI – Very Large Scale Integration, possibilitou colocar dezenas de milhares, centenas de milhares, milhões de transistores em um único chip• Computadores menores e mais rápidos

Chip intel 8080IBM PC com chip Intel 8080


Quarta Geração – Integração em Larga Escala (1980 - ? )• Na década de 1980, um novo desenvolvimento denominado RISC começou a se impor, substituindo as complicadas arquiteturas CISC por outras mais simples e mais rápidas• Década de 1990, surgiram as CPUs superescalares que podiam realizar várias instruções ao mesmo tempo, em ordem diferente da que apareciam nos programas• Até 1992, os computadores eram de 8, 16 ou 32 bits. Então a DEC lançou o ALPHA de 64 bits (máquina RISC de 64 bits)• Arquitetura CISC X RISC será discutido adiante na disciplina

DEC Alpha 64 bits


Quinta Geração – Computadores invisíveis• É mais uma mudança de paradigma do que uma nova arquitetura específica• Computação Ubíqua ou Computação Pervasiva

• Computadores estão por toda parte e embutidos em tudo (invisíveis) • São parte da estrutura diária, abrindo portas, controlando a luz, janelas, distribuindo dinheiro• Modelo definido por Mark Weiser (2002)

Chip RFIDChip RFID embutido na mão


Forças Econômicas e Tecnológicas

A lei de Moore prevê um aumento anual de 60% no número de transistores que podem ser colocados em um chip.

Os dados pontuais informados nesta figura são tamanhos de memória em bits.


A gama dos computadores


Computador Pessoal


Exemplos de Famílias de computadores

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


Família de Computadores Intel (1)



Chip Pentium 4. Direitos de reprodução da Intel Corporation, 2003, utilização permitida.



Lei de Moore para chips de CPU (Intel).


Família MCS-51


Unidades Métricas

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