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7/23/2019 Arquitet._COmpu_-_unid_1

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Unidade

Objevo:

• Nesta unidade vamos apresentar os conceitos básicos de Arquiteturas deComputadores. Iniciamos com a denição de alguns conceitos que serão necessáriospara o entendimento de uma arquitetura de computadores. Depois apresentamosuma pequena história dos computadores eletrônicos desde a sua invenção até osdias de hoje. Finalmente apresentamos os componentes gerais de uma arquiteturade computadores.

1

Conceitos Básicos



ARQUITETURA DE COMPUTADORES11

Capítulo 1Introdução à Arquitetura de Computadores

O ser humano sempre precisou realizar cálculos, sejam eles para ar-mazenar a comida, contar os animais ou construir uma casa. Os primeiroscomputadores do mundo eram as pessoas. O “computador” era uma pros-são cujo trabalho era executar os cálculos repetitivos exigidos para compu-

tar tabelas de navegação, cartas de marés e posições planetárias. Devidoaos erros decorrente do cansaço dos “computadores” humanos, durante vá-

rios séculos os inventores têm procurado por uma maneira que mecanizeesta tarefa.

Até aproximadamente metade do século XX, havia apenas máquinas

rudimentares que auxiliavam a realização de cálculos. A partir da invençãoda válvula eletrônica, o transistor e circuito integrado, foi possível construirmáquinas eletrônicas com maior capacidade e velocidade. Ela é chamadamais precisamente “computador eletrônico digital de uso geral” e é esta má-quina que vamos falar a partir de agora.

Os computadores são eletrônicos porque manipulam dados usandocircuitos de chaveamento eletrônico, sejam eles válvulas eletrônicas, tran-

sistores, e mais recentemente, circuitos integrados. Digital signica que ocomputador guarda e manipula todos os dados internamente sob a formade números (todos os dados numéricos, todos os dados de texto, e mesmo ossons e as guras são armazenadas como números). O dígito signica “dedo”

e desde que os povos começaram a contar com seus dedos, o nome dígitoé aplicada a representação de números. É de uso geral porque podem serprogramados para executar uma grande variedade de aplicações (diferentede um computador de propósito especíco, projetado para executar somenteuma função).

Arquitetura e Organização de ComputadoresOs termos Arquitetura e Organização de Computadores têm signi-

cado distinto para descrever um sistema de computação. Há um consen-

so na comunidade de que o termo “Arquitetura de Computador” refere-seaos atributos que são vistos pelo programador. Por exemplo, conjunto deinstruções, número de bits de representação dos dados, endereçamento dememória e mecanismos de entrada e saída, são exemplos de atributos dearquitetura de computadores.

O termo “Organização de Computadores” se refere às unidades ope-racionais e suas interconexões para uma determinada arquitetura e sãotransparentes para o programador. Por exemplo, tecnologias dos compo-

nentes eletrônicos, sinais de controle, interfaces entre os computadores eperiféricos, são exemplos de atributos de organização de computadores.

Apesar deste livro tratar especicamente de Arquitetura de Computa-dores, a Unidade 2 apresenta uma introdução aos conceitos de Lógica Digi-tal, mais apropriada para a área de Organização de Computadores, com oobjetivo de facilitar o entendimento das demais unidades.



12ARQUITETURA DE COMPUTADORES

Hardware e SofwareUm computador é um dispositivo que executa quatro funções: ele re-

cebe dados de entradas (converte dados do mundo exterior para o universoeletrônico); armazena os dados (de forma eletrônica); processa dados (exe-

cuta operações matemáticas e lógicas); e exibe os dados de saídas (mostraos resultados para os usuários através de uma tela).

Um computador consiste no hardware e no software. O hardware é oequipamento físico: o próprio computador e os periféricos conectados. Osperiféricos são todos os dispositivos ligados ao computador para nalidadesde entrada, saída, e armazenamento dos dados (tais como um teclado, ummonitor de vídeo ou um disco rígido externo).

O software consiste nos programas e nos dados associados (informa-

ção) armazenados no computador. Um programa é uma sequencia de ins-truções que o computador segue com o objetivo de manipular dados. Apossibilidade de incluir ou excluir programas diferentes é a fonte de versa-tilidade de um computador. Sem programas, um computador é apenas har-dware de alta tecnologia que não faz qualquer coisa. Mas com a sequênciade instruções detalhadas, descrevendo cada passo do programa (escrito por

seres humanos) o computador pode ser usado para muitas tarefas que va-

riam do processamento de texto a simulação de padrões de tempo globais.

Como um usuário, você irá interagir com os programas que funcio-

nam em seu computador através dos dispositivos de entrada conectados aele, tal como um mouse e um teclado. Você usa esses dispositivos para for-necer a entrada (tal como o texto de um relatório que você está trabalhando)e para dar comandos ao programa (tal como a denição de que uma frasedo texto vai aparecer com formato negrito). O programa fornecerá a saída(os dados resultantes das manipulações dentro do computador) através devários dispositivos de saída (tal como um monitor ou uma impressora).

1. Para você, qual é a categoria mais importante de um computador, o har-dware ou software. Um pode ser utilizado sem o outro?

2. Pare um instante e identique em sua volta dispositivos que dispõe deum computador. Você observou como computadores estão em todos oslugares e como são importantes para a nossa vida?




Capítulo 2História do Computador Eletrônico

Apesar de haver relatos históricos de máquinas que realizassem cál-culos matemáticos como a Máquina de Pascal (1642), a máquina de CharlesBabbage (1822) até o Mark I da Universidade de Harvard (1944), o primeirocomputador totalmente eletrônico foi o ENIAC (1945).

Para classicar as várias etapas do desenvolvimento dos computado-

res eletrônicos de acordo com a tecnologia utilizada, os computadores foramclassicados em quatro gerações, que veremos a seguir:

Primeira GeraçãoOs computadores de primeira geração são baseados em tecnologias de

válvulas eletrônicas. Esta geração inicia em 1943 e vai até 1959. Os com-

putadores da primeira geração normalmente paravam de funcionar apóspoucas horas de uso. Tinham dispositivos de Entrada/Saída rudimentares,calculavam com uma velocidade de milésimos de segundo e eram progra-

mados em linguagem de máquina.

Em 1943, um projeto britânico, sob a liderança do matemático Alan Turing, colocou em operação o COLOSSUS utilizado para decodicar asmensagens criptografadas pela máquina Enigma, utilizadas pelos alemãesna 2ª Guerra Mundial. Sua característica mais inovadora era a substituição

de relés eletromecânicos por válvula eletrônica. Apesar de ter uma arqui-

tetura de computador, ainda ele não pode ser chamado de “uso geral” poisrealizava apenas uma função especíca. Essa máquina usava 2.000 válvu-

las eletrônicas.

Em 1945, surgiu o ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Com-

puter, ou seja, "Computador e Integrador Numérico Eletrônico", projetadopara ns militares, pelo Departamento de Material de Guerra do Exércitodos EUA, na Universidade de Pensilvânia. Foi o primeiro computador digitaleletrônico de grande escala projetado por John W. Mauchly e J. PresperEckert. Este é considerado pelos pesquisadores como o primeiro “computa-

dor eletrônico de uso geral”, isto é, pode realizar diferentes funções a partir

da troca de um programa, apesar da sua reprogramação levar semanaspara ser concluída.

O ENIAC tinhas 17.468 válvulas, 500.000 conexões de solda, 30 tone-

ladas de peso, 180 m² de área construída, 5,5 m de altura, 25 m de compri-mento e realizava uma soma em 0,0002 s.

O ENIAC tinha um grande problema: por causa do número grande deválvulas eletrônicas, operando à taxa de 100.000 ciclos por segundo, havia1,7 bilhão de chances a cada segundo de que uma válvula falhasse, além desuperaquecer. As válvulas liberavam tanto calor, aproximadamente 174 KW,que mesmo com os ventiladores a temperatura ambiente chegava a 67°C.Então Eckert, aproveitou a idéia utilizada em órgãos eletrônicos, fazendo

Válvula Eletrônica é umdispositivo eletrônico for-

mado por um invólucro devidro de alto vácuo cha-

mada ampola contendovários elementos metáli-cos. A válvula serve paracomutar circuito e ampli-car sinal elétrico.




que as válvulas funcionassem sob uma tensão menor que a necessária, re-duzindo assim as falhas para 1 ou 2 por semana.

Mesmo com 18.000 válvulas, o ENIAC podia armazenar somente 20números de cada vez. Entretanto, graças à eliminação das peças móveisele funcionava muito mais rapidamente do que os computadores eletro-me-

cânicos. No entanto, o maior problema do ENIAC era a reprogramação. Aprogramação era realizada através da ligação de os e interruptores em umpainel. A mudança de código de programa levava semanas.

Eckert e Mauchly se jun-

taram ao matemático John Von

Neumann em 1944 para proje-tar o EDVAC (Electronic Discre-te Variable Automatic Compu-

ter), que abriu caminho para oprograma armazenado. Ele foium sucessor do ENIAC e usavanumeração binária em vez dedecimal e já utilizava o conceitode programa através de cartão

perfurado. Isso permitia ao ED-

VAC mudanças de programasmais rápidas em comparação aoENIAC.

No entanto, a principal contribuição do EDVAC foi a arquitetura deprocessador, memória e unidades de entrada e saída interligadas por umbarramento. Arquitetura conhecida como Arquitetura Von Neumann utili-zada até hoje pela maioria dos computadores. Mostramos a seguir a arqui-tetura do EDVAC.

Figura 2 Arquitetura do EDVAC (Arquitetura von Neumann)

Figura 1 ENIAC – O primeiro grande computador

eletrônico [foto Exército EUA]




Apenas em 1951 surgiram os primeiros computadores produzidos emescala comercial, como o UNIVAC e o IBM 650.

Segunda GeraçãoNos equipamentos da se-

gunda geração, que durou de

1959 a 1965, a válvula foi substi-

tuída pelo transistor. O transistorfoi criado em 1947 no Bell Labo-

ratories por William Shockley e J.Brattain. Seu tamanho era 100vezes menor que o da válvula,não precisava esperar um tem-

po para aquecimento, consumiamenos energia, era mais rápido emais conável.

O primeiro computador experimental totalmente com transistor foiconstruído na Universidade de Manchester e entrou em operação em 1953.Uma segunda versão do Computador de Transistor foi construída em 1955.

Os computadores da segunda geração calculavam em microssegun-

dos e eram mais conáveis que os computadores da primeira geração. Osseus representantes comerciais clássicos foram o IBM 1401 e o IBM 7094, já totalmente transistorizado. Outra característica importante, além do usode transistor, era a utilização de memória com núcleo de ferrite e ta mag-nética para armazenamento de dados. Essas máquinas já utilizavam lin-

guagem de programação FORTRAN e COBOL.

Terceira GeraçãoA terceira geração,

que durou de 1964 a 1970,foi marcada com a substi-tuição dos transistores pelatecnologia de circuitos inte-grados - transistores e com-

ponentes eletrônicos monta-dos em um único substrato.O circuito integrado foi in-

ventado por Jack St. ClairKilby e Robert Noyce e per-

mitiu a compactação doscomputadores construídoscom transistor. Nesta gera-ção o cálculo de operaçõesmatemáticas chegava à or-dem de nanossegundos além do aumento da capacidade, redução das di-mensões físicas e redução na dissipação de calor.

O principal computador comercial da terceira geração foi o IBM 360, lan-

çado em 1964. Ele dispunha de muitos modelos e várias opções de expansãoque realizava mais de 2 milhões de adições por segundo e cerca de 500 milmultiplicações. O System/360 foi um dos maiores sucessos de venda da IBM.

Figura 3 IBM 1401 [foto Computer

History Museum]

Transitor é um disposi-tivo eletrônico construídocom material semicondu-

tor (germânio ou silício)que funciona como cha-

ve de circuito ou ampli-cador. Ele substituiu aválvula eletrônica por sermenor, dissipar menoscalor e ter uma durabili-dade maior.

Figura 4 IBM 360 [foto Computer HistoryMuseum]




Quarta GeraçãoA quarta geração iniciou em 1971 e dura até hoje. Ela continuou com

a utilização de circuito integrados, mas é diferenciada da terceira geraçãopela utilização do microprocessador, isto é, um circuito integrado que reúnetodas as funções do computador.

Em novembro de 1971, a Intel lançou o primeiro microprocessadorcomercial, o 4004. Ele foi desenvolvido para um fabricante de calculadoraseletrônicas japonesa, a Busicom, como uma alternativa ao circuito eletrôni

-

co que era utilizado. Juntamente com o desenvolvimento do circuito integra-

do de memória RAM, inventada por Robert Dennard, permitiu a construçãodo microcomputador, equipamentos pequenos com grande capacidade deprocessamento. O 4004 era capaz de realizar apenas 60.000 instruções porsegundo, mas seus sucessores, 8008, 8080, 8086, 8088, 80286, 80386,80486, etc, ofereciam capacidades cada vez maiores em velocidades cadavez maiores.

A vantagem de um circuito integrado não é apenas a redução dasdimensões dos componentes de um computador, mas a possibilidade de seproduzir componentes em massa reduzindo seu custo. Todos os elementos

no circuito integrado são fabricados simultaneamente através de um núme-

ro pequeno de máscaras óticas que denem a geometria de cada camada.Isto acelera o processo de fabricação do computador, além de reduzir o cus-to, da mesma forma que a invenção da impressão por Gutenberg possibili-tou a difusão e barateamento dos livros no século XVI.

Um computador transistorizado de 1959 continha 150.000 transisto-

res em uma área de 10 m². Esses transistores eram innitamente menoresque as válvulas eletrônicas que substituiu, mas eram elementos individu-

ais que exigiam um conjunto individual para xação. Nos anos 80, essaquantidade de transistores podia ser fabricada simultaneamente em umúnico circuito integrado. Um microprocessador atual Pentium 4 contem

42.000.000 de transistores fabricados simultaneamente um uma pastilhade silício do tamanho de uma unha.

Figura 5 Microcomputador IBM PC [foto Computer History Museum]




1. Qual foi o maior ganho quando os computadores passaram a ser constru-

ídos com válvulas eletrônicas em vez de mecanismos eletro-mecânico?

2. Qual o principal problema da primeira geração de computadores e comoele foi resolvido para permitir sua utilização de forma conável?

3. O que a invenção do transistor trouxe para a evolução dos computadoreseletrônicos?

4. Qual a semelhança entre o processo de fabricação de um circuito inte-grado com a imprensa? O que isso propiciou?

5. Qual a característica que diferencia a terceira da quarta geração decomputadores se ambas utilizam o circuito integrado?




Capítulo 3Componentes de uma Arquitetura de

Computador

Um computador é construído com vários componentes individuais. Asligações entre os diversos componentes é a essência da Arquitetura de Com-

putadores. A forma como os componente se interligam e se comunicam vaideterminar a capacidade e velocidade de processamento de uma determi-nada arquitetura.

A primeira seção mostra a arquitetura geral de um computador. Emseguida apresentamos a Arquitetura Harvard e a Arquitetura Von Neu-

mann, importantes para entender as Arquiteturas usadas atualmente. Fi-nalmente apresentamos a Lei de Moore, um prognóstico de evolução dosmicroprocessadores e alguns comentários sobre os limites dela.

Componentes de um computadorA Figura 5 mostra a arquitetura simplicada de um Computador. Os

computadores modernos podem ter uma arquitetura bem mais complexa doque esta, mas os blocos principais estão aqui representados.

Figura 6: Arquitetura de um Computador

O principal módulo é a Unidade Central de Processamento, usualmen-

te conhecida como CPU (Central Processing Unit). A CPU é o “cérebro” docomputador onde todo o processamento é realizado. Ela é constituída portrês submódulos: a Unidade Lógica e Aritmética (ULA), os Registradores e aUnidade de Controle. Nos computadores modernos a CPU é construída emum único Circuito Integrado (chip).

A Unidade Lógica e Aritmética (ULA), também conhecida como Ari-

thmetic and Logic Unit (ALU), é responsável por realizar as operações docomputador como soma e subtração assim como as funções lógicas, OU, E,NÃO e OU Exclusivo. Algumas ULAs mais sosticadas realizam tambémmultiplicações e divisões.




Os registradores são memórias utilizadas para realizar as operaçõesna CPU. Essas memórias são muito rápidas e de tamanho pequeno, geral-mente suciente para guardar menos de uma dezena de valores. Além dosregistradores é comum haver uma memória de rascunho dentro da CPU,chamada de Cache. Ela é utilizada para aumentar a velocidade de proces-samento reduzindo o tempo de acesso à memória externa.

A Unidade de Controle é responsável por controlar todo o funcionamen-

to da CPU e também de todo o computador. Ela controla o processamentoentre ULA e Registrador e interage com o barramento externo onde cam osperiféricos. A Unidade de Controle tem uma função chave que é a interpreta-

ção do código do programa que irá nortear os comandos do processamento.

Continuando na Figura 5 podemos observar um barramento e três mó-dulos externos à CPU: Memória, Disco e Interface de Entrada e Saída (I/O).

O barramento serve para interligar todos os componentes internos docomputador. Para se obter altas velocidades esse barramento é geralmenteparalelo (os dados são enviados paralelamente). Nessa gura representa-mos apenas um barramento, mas geralmente ele é dividido em barramentode dados (onde os dados trafegam), barramento de endereço (onde indica-

mos a localização de cada dado) e o barramento de controle (onde indica-

mos o comando, por exemplo, ler, escrever, copiar, etc). Em um computadorreal existem vários níveis de barramento com velocidades diferentes, quantomais próximo da CPU mais rápido ele é, e quanto mais próximo dos perifé-ricos mais lento ele é.

A Memória é constituída por um conjunto de memória semicondutorautilizada para armazenar os dados temporariamente. Podemos dizer queessa é a memória de trabalho do computador e geralmente ca localizadana placa mãe do computador. Essa memória é mais lenta que os Registra-

dores mas é mais rápida que as unidades de armazenamento em disco. Amemória semicondutora geralmente perde os dados quando o computadoré desligado, por isso deve-se usar uma unidade de armazenamento perma-

nente, o disco.O disco consiste em uma unidade eletro-mecânica que armazena os

dados em um disco magnético que mantém as informações mesmo quandoo computador é desligado. Essa unidade tem grande capacidade de arma-zenamento mas tem velocidade de acesso signicativamente menor em rela-

ção às memórias semicondutoras.

O módulo de Entrada e Saída, ou Input/Output (I/O), estabelece aligação do computador com o mundo externo, usando equipamentos perifé-

ricos. Essa interface permite a ligação de teclados e mouses (para entradade dados), monitores ou impressoras (para exibição dos dados) e placas decomunicação (para trocar dados a longa distância). Essa interface é signi-

cativamente mais lenta que os demais componentes do computador devidoa natureza dos periféricos e a incapacidade humana de processar informa-

ções na velocidade dos computadores.

As próximas unidades irão detalhar cada um dos módulos que cons-

tituem um computador.

Arquitetura HarvardA Arquitetura de Harvard, mostrada na gura abaixo, é uma arqui-

tetura de computador onde os caminhos de comunicação e a memória dearmazenamento das instruções e de dados são sicamente separados.




O termo originou da característica do computador eletro-mecânico Mark I,desenvolvida na Universidade de Harvard, que armazenava instruções emuma ta perfurada (com 24 bits de largura) e os dados eram armazenadosem contadores eletromecânicos. Esta máquina tinha espaço limitado parao armazenamento de dados, inteiramente contido na Unidade Central deProcessamento, e como não havia nenhuma ligação dessa memória com oarmazenamento de instrução, o programa era carregamento e modicandode forma inteiramente isolada (off-line).

Figura 7 Diagrama de blocos da Arquitetura Harvard

Na Arquitetura de Harvard, não há necessidade de fazer comparti-lhamento das memórias com dado e instrução. Em particular, a largura dapalavra, o sincronismo, a tecnologia da execução e a estrutura do endereçode memória para dados e instruções podem diferir. Em alguns sistemas,as instruções são armazenadas em memória somente de leitura (ROM) en-

quanto a memória de dados exige geralmente uma memória de leitura/es-crita (RAM). Em alguns sistemas, há muito mais memória de instrução doque a memória dos dados devido ao fato de que os endereços de instruçãosão maiores do que endereços de dados.

Em um computador com a Arquitetura von Neumann, o processadorcentral não pode ler uma instrução e realizar uma leitura/escrita de da-

dos simultaneamente. Ambos não podem ocorrer ao mesmo tempo porqueas instruções e os dados usam o mesmo barramento de sistema. Em umcomputador com a arquitetura de Harvard, o processador central pode leruma instrução e executar um acesso à memória de dados ao mesmo tempoporque os barramentos são distintos. Um computador da Arquitetura deHarvard pode ser mais rápido para um determinado processador porque oacesso aos dados e instrução não usam o mesmo barramento. No entanto,uma Arquitetura de Harvard exige um circuito eletrônico maior e mais com-

plexo, comparado com a Arquitetura Von Neumann.

Off-line é todo processo

em um computador que érealizado fora do equipa-mento e independente deo computador estar ligadoou não.




A Arquitetura de Harvard Modicada é muito semelhante à Arquite-tura de Harvard, mas dene um caminho alternativo entre a memória dainstrução e o processador central de forma que permita que as palavras namemória da instrução possam ser tratadas como dados somente de leitura,não apenas instrução. Isso permite que os dados constantes, particular-mente tabelas de dados ou textos, sejam alcançados sem ter que primeira-mente ser copiado para a memória dos dados, liberando assim mais memó -

ria de dados para variáveis de leitura/gravação. Para diferenciar leitura de

dados da memória da instrução são utilizadas instruções especiais.A vantagem principal da Arquitetura de Harvard - acesso simultâneo

a memória de dados e instrução - foi compensada pelos sistemas modernosde cache, permitindo que uma máquina com Arquitetura von Neuman pu-

desse oferecer desempenho semelhante à Arquitetura de Harvard na maio-ria dos casos.

Apesar disso a Arquitetura de Harvard ainda é muito utilizada emaplicações especícas, onde a arquitetura ainda apresenta boa relação cus-to-desempenho, como:

• Processadores de Sinal Digital (DSPs): Processadores especializa-

dos em processamento de áudio, vídeo ou comunicações. Esses pro-

cessadores precisam realizar uma grande quantidade de operaçõesaritméticas em uma grande quantidade de dados, fazendo que aArquitetura Harvard seja economicamente viável.

• Os microcontroladores, pequenos processadores usados em aplica-

ções especícas como controle de máquinas, veículos, equipamen-

tos. Esses processadores são caracterizados pela pequena quantida-de de memória de programa (geralmente memória Flash) e memóriade dados (SRAM), assim, a Arquitetura de Harvard pode apressaro processamento permitindo o acesso à instrução e dados simulta-neamente. O barramento e o armazenamento separado possibilitaque as memórias de programa e de dados tenham larguras de bits

diferentes. Por exemplo, alguns PICs tem uma palavra de dados de 8bits mas tem palavras de instrução de 12, 14, 16 ou 32 bits, confor -me a complexidade do programa. Os produtos mais conhecidos queusam a Arquitetura Harvard são: processadores ARM (vários fabri-cantes), o PIC da Microchip Tecnologia, Inc., e o AVR da Atmel Corp.

Arquitetura Von NeumannA Arquitetura de von Neumann é

um modelo de arquitetura para compu-

tador digital de programa armazenado

onde existe uma única estrutura com-

partilhada para armazenamento de ins-truções e de dados. O nome é uma ho-

menagem ao matemático e cientista decomputação John Von Neumann queprimeiro propôs essa idéia.

Um computador com Arquiteturavon Neumann mantém suas instruçõesde programa e seus dados na memóriade leitura/escrita (RAM). Essa arquite-tura foi um avanço signicativo sobre os

Figura 8 Diagrama de Blocos de uma

Arquitetura von Neumann




computadores dos anos 40, tais como o Colossus e o ENIAC, que eram pro-

gramados ajustando interruptores e introduzindo cabos para ligar os sinaisde controle entre as várias unidades funcionais. Na maioria dos computado-res modernos usa-se a mesma memória para armazenar dados e instruçõesde programa.

Os termos “Arquitetura von Neumann” e “computador de Programa-Armazenado” são usados indistintamente nesse texto. Ao contrário, a Ar-quitetura de Harvard armazena um programa em um local diferente dolocal utilizado para armazenar dados.

Von Neumann foi envolvido no projeto de Manhattan. Lá juntou-se aogrupo que desenvolveu o ENIAC para desenvolver o projeto do computadorde programa-armazenado chamado EDVAC. O termo “Arquitetura von Neu-

mann” foi mencionada em um relatório sobre o projeto EDVAC datado de 30de junho de 1945, que incluiu idéias de Eckert e de Mauchly. O relatório foilido por vários colegas de von Neumann na América e Europa, inuenciadosignicativamente todos os futuros projetos de computador. Apesar de serreconhecido a contribuição de J. Presper Eckert, John Mauchly e Alan Tu-

ring para o conceito de computador de programa-armazenado, essa arqui-tetura é mundialmente denominada Arquitetura Von Neumann.

Gargalos da Arquitetura Von NeumannO compartilhamento de estrutura para armazenar dados e instruções

entre o processador central e a memória conduz ao gargalo de Von Neu-

mann, devido à limitação da taxa de transferência dos dados do barramen-

to entre o processador central e à memória. Na maioria de computadoresmodernos, a taxa de transmissão do barramento geralmente é muito menordo que a taxa em que o processador central pode trabalhar. Isso limitaseriamente a velocidade de processamento efetivo quando o processadorcentral é exigido para executar o processamento de grandes quantidades

de dados na memória. O processador central é forçado continuamente aesperar a transferência de dados de ou para memória. A partir do aumentoda velocidade dos processadores e o aumento do tamanho e da velocidadedas memórias, o gargalo do barramento único se transformou em mais umproblema. O termo de “gargalo Von Neumann” foi criado por John Backusem artigo no 1977 ACM Turing Award.

O problema de desempenho da Arquitetura Von Neumann pode serreduzido através do uso de cache entre o processador central e a memóriaprincipal, e pelo desenvolvimento de algoritmos de predição de desvio. Oti-mizações das linguagens orientadas a objeto modernas são menos afetadasque o código objeto linear gerado por compilador Fortran do passado.

Lei de Moore

A Lei de Moore descreve uma tendência histórica de longo prazo naevolução de desempenho de hardware, em que o número de transistores quepodem ser colocados em um circuito integrado dobra a aproximadamentecada dezoito meses. Mesmo não sendo uma “lei natural” que não possa sercontrolada, a Lei de Moore é um bom prognóstico para o avanço da tecnolo-gia micro-eletrônica nos últimos 40 anos.




Figura 9 Gráfco da Lei de Moore comparando com os processadores lançados [Intel]

As características de muitos dispositivos eletrônicos são fortementeassociados à Lei de Moore: velocidade de processamento, capacidade de me

-

mória e o número e tamanho dos pixels nas câmaras digitais. Todos elescrescem a taxas aproximadamente exponenciais. Isso aumentado drama-

ticamente o uso da eletrônica digital em quase todos os segmentos da eco-nomia mundial. A tendência acontece a quase meio século e não é esperadoreduzir pelo menos até 2015.

A lei recebeu o nome do co-fundador da Intel, Gordon E. Moore, queintroduziu o conceito em um artigo de 1965. Ela tem sido usada desde entãopela indústria de semicondutores para guiar o planejamento de longo prazoe para ajustar metas para a pesquisa e o desenvolvimento.

Limites da Lei de Moore

Em 13 de abril de 2005, Gordon Moore anunciou em uma entrevistaque a lei não pode se sustentar indenidamente: “Não pode continuar parasempre. A natureza das taxas exponenciais é que você os empurra para forae eventualmente disastres acontecem.”

No entanto, previu que os transistores alcançariam os limites atô-micos de miniaturização: “Nos termos de tamanho [dos transistores] vocêpode ver que nós estamos nos aproximando do tamanho dos átomos que éuma barreira fundamental, mas serão duas ou três gerações antes de al-cançarmos e que parece tão distante e talvez não chegaremos a vê-lo. Nósainda temos 10 a 20 anos antes que nós alcancemos o limite fundamental.Até lá poderemos fazer chips maiores e quantidade de transistores da ordemde bilhões”.

Em 1995, o microprocessador Digital Alpha 21164 tinha 9.3 milhãode transistores. Seis anos mais tarde, um microprocessador avançado ti-nha mais de 40 milhões de transistores. Teoricamente, com miniaturizaçãoadicional, em 2015 esses processadores devem ter mais de 15 bilhões detransistores, e por volta de 2020 chegará na escala de produção molecular,onde cada molécula pode ser individualmente posicionada.

Em 2003 a Intel previu que o m viria entre 2013 e 2018 com processode manufatura de 16 nanômetros e portas com 5 nanômetros, devido aotunelamento quântico do silício. No entanto, a melhoria da qualidade do




processo de fabricação poderia aumentar o tamanho dos chips e aumentara quantidade de camadas pode manter o crescimento na taxa da Lei de Mo-ore por pelo menos uma década a mais.

Nesta unidade apresentamos os conceitos básicos de Arquiteturas de Com-

putadores. Inicialmente apresentamos algumas denições necessárias parao entendimento de uma arquitetura de computadores que será útil em todasas unidades deste livro. Depois apresentamos uma pequena história doscomputadores eletrônicos desde a sua invenção nos anos 40 até os dias dehoje. Apresentamos os componentes gerais de uma arquitetura de compu-

tadores que serão estudados nas próximas unidades. Finalmente apresen-

tamos as Arquiteturas Harvard e Von Neumann além de uma discussãosobre a Lei de Moore.

1. Observando a Figura 8 (arquitetura Von Neumann) avalie os componen-

tes que podem limitar o desempenho. Proponha soluções para resolveresse gargalo

2. Qual módulo de uma arquitetura de computadores deve ser mais rápidopara melhorar o desempenho de um sistema de processamento numéri-

co (muitas operações matemáticas)?3. Qual módulo de uma arquitetura de computadores deve ser mais rápido

para melhorar o desempenho de um sistema de armazenamento de da-

dos (muitos dados guardados e consultados)?

4. Pesquise na Internet algumas tecnologias que estão sendo desenvolvidaspara superar as limitações da Lei de Moore.

• Museu da História do Computador (em inglês)

http://www.computerhistory.org/

• História do Computador (em inglês)

http://www.computersciencelab.com/ComputerHistory/History.htm

• Discussão sobre e Lei de Moore (em inglês)

http://www.intel.com/technology/mooreslaw/



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