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Escola Politécnica da USP
PSI-2222 Práticas de Eletricidade e Eletrônica II
Uma Breve História dos Sistemas Eletrônicos
João Antonio Zuffo Marcelo Knörich Zuffo Marco Antonio Simon dal Poz Roseli de Deus Lopes {jazuffo, mkzuffo, mdalpoz, rdlopes}@lsi.usp.br Laboratório de Sistemas Integráveis Depto. de Engenharia de Sistemas Eletrônicos Escola Politécnica da USP
1 Introdução
Ao longo dos séculos o ser humano imaginou e engenhou máquinas que em muito melhoraram a nossa qualidade de vida. A imaginação transformou-se em livros de ficção científica e mais recentemente filmes que estabeleceram a visão de futuro das necessidades tecnológicas da sociedade. Livros e filmes vastamente conhecidos na cultura popular como Frankstein (Mary Shelley), a Máquina do Tempo (H.G. Wells), Metropolis (Fritz Lang), 2001 Uma Odisséia no Espaço (Arthur Clarke), Star-Trek estiveram um passo a frente das futuras realizações científicas e tecnológicas dos nossos tempos.
O engenho humano através de um esforço árduo de cientistas e engenheiros criou o conhecimento necessário para o desenvolvimento da eletrônica e dos sistemas eletrônicos e a sua respectiva aplicação na sociedade.Fundamentalmente a eletrônica é baseada no controle do movimento dos elétrons nos vários dispositivos e sistemas.
Ao longo do século XX percebemos a rápida incorporação da tecnologia eletrônica na sociedade, graças aos avanços do conhecimento da física do estado sólido e a viabilidade de produção de dispositivos eletrônicos em ultra-alta-escala. Os engenheiros elétricos e eletrônicos, tiveram um papel fundamental neste processo convertendo o conhecimento científico em inúmeras aplicações sequer imaginadas há alguns anos atrás. O impacto na sociedade é de maneira tal que muitos historiadores acreditam que estamos numa nova era: a InfoEra.
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Este texto apresenta uma breve e sucinta descrição da evolução histórica dos sistemas eletrônicos que de ficção transformaram-se em realidade. Outro objetivo deste texto é motivar as futuras gerações de engenheiros a imaginar como poderão também contribuir nesta inexorável revolução científica e tecnológica.
2 Da Antiguidade ao Século XX
As primeiras necessidades tecnológicas do ser humano estiveram diretamente relacionadas com a atividade agro-pastoril. A partir da fixação das aldeias e cidades principalmente no eixo Europa-Ásia há mais de 5.000 anos atrás, a atividade comercial cresceu intensamente estabelecendo a necessidade de sistemas numéricos e métodos precisos e rápidos de cálculo numérico, surgiram então os avós das calculadoras modernas: O Ábaco.
O Ábaco nada mais é do que uma pequena plataforma de madeira com pequenas contas dispostas em fios de arame, capazes de permitir rapidamente o manuseio para a representação de números e a realização de contas.
Figura 1 – Ábaco Chinês No ábaco chinês na parte superior cada peça representa cinco unidades e na parte inferior cada peça vale uma unidade. Os números aqui representados são 7,230 e 189
Vários séculos depois as primeiras calculadoras mecânicas surgiram, baseadas nos princípios de representação numérica, na figura 2 apresentamos a máquina de somar de Blaise Pascal construída em 1672.
Figura 2 – Máquina Calcular Mecânica de Blaise Pascal -
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3 A Rápida Evolução no Século XX
Com o advento da eletricidade sistemas eletromecânicos tornaram-se cada vez dominados pelos engenheiros nas primeiras décadas do século XX, neste período surgiram os primeiros computadores avançados.
O ápice das máquinas eletromecânicas foi atingido no início da década de 1940 com o trabalho de Howard Aiken na Universidade de Harvard. Com o suporte de U$500.000,00 e 4 engenheiros da IBM, Aiken começou a construir sua máquina em 1939. O nome oficial da máquina era “ The Automatic Controlled Sequence Calculator,Mark I ” tendo sido completado em 1944. Continha 800 Km de fios e 3 milhões de conexões. Esta máquina realizava multiplicações em 6 segundos e divisões em 12 segundos.
Figura 5 – O Computador Mark I
Entretanto um passo importante para a computação moderna foi o desenvolvimento de sistemas computadorizados eletrônicos. Já na década de 30 os primeiros sistemas de radiodifusão entraram no ar baseados em válvulas a vácuo (válculas termoionicas), bem como os primeiros testes de trasmissão televisiva realizados na Alemanha em 1933.
Em 12 dezembro de 1901, Guglielmo Marconi transmitiu a primeira mensagem sem fio através do atlântico. Os primeiros equipamentos eram grosseiros, mas em poucos anos eles receberam enormes melhorias. Um desenvolvimento importante foi o das válvulas termoionicas capazes de permitir a implementação de retificadores e amplificadores. O princípio de funcionamento das válvulas termoionicas baseia-se no fluxo de elétrons irradiados a partir de um filamento de carbono aquecido. Em 1904 Sir John Ambrose Fleming descobriu que colocando um cilindro metálico (prato) ao redor do filamento e conectando-se o filamento a um terceiro terminal, a corrente podia ser portanto retificada e então detectada por um receptor telefônico, este dispositivo ficou conhecido como Diodo.
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Em 1906 o pesquisador Lee De Forest nos Estados Unidos, fez melhoria significativa ao diodo transformando-o no Triodo introduzindo o terceiro eletrodo (a grade) entre o filamento e o prato, a grande vantagem desta melhoria foi permitir a amplificação do sinal. A aplicação do Triodo permitiu a disseminação em larga-escala na década de 1920 da radiodifusão no mundo e a conseqüente explosão de manufatura de rádios.
O princípio da emissão eletrônica do filamento aquecido foi originalmente descoberto por Thomas Edison quando o mesmo fazia experimentos com a lâmpada elétrica, Thomas Edison não deu importância para estes experimentos, que foram redescobertos a luz da aplicação em circuitos eletrônicos à válvula anos depois.
Figura 6 Válvulas Termoionicas e Foto-Rele a Válvula Projetado e Construído por João Antonio Zuffo em 1955
As válvulas termoinonicas (diodo, triodo e pentodo) foram os primeiros componentes eletrônicos não-lineares disponíveis aos engenheiros eletrônicos, são ainda usadas em sistemas de microondas de alta potência e em dispositivos de exibição os famosos tubos de raios catódicos utilizados em praticamente 99% dos televisores do mundo. Dentre as vantagens destes componentes podemos citar a excelente resposta em freqüência, dentre as desvantagens podemos destacar as grandes dimensões, o alto consumo de energia e o respectivo baixo rendimento.
O advento da Segunda Guerra Mundial e as várias demandas militares decorrentes como o cálculo balístico de precisão, a necessidade do radar e a criptografia de mensagens deram grande impulso ao desenvolvimento de sistemas eletrônicos mais avançados tanto analógicos como digitais.
John Atanasoff costruiu o primeiro computador eletrônico na Universidade Estadual de Iowa. No inicio de 1939, Atanasoff recebeu um auxílio de U$650 da Universidade ,com o qual pagou os
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projeto de um computador onde as instruções poderiam ser fornecidas juntamente com os dados a serem processados. Neste computador de programas armazenados, os operandos alimentam um novo conjunto de instruções apenas quando se deseja executar um novo programa. O primeiro computador de programa armazenado: o EDSAC ( Electronic Discrete Storage AutomaticCalculator ) foi construído na Inglaterra em 1949 e o segundo, o EDVAC ( Electronic Discrete Variable Automatic Computer ) foi construído em 1950 nos EUA.
4 O Advento da Física do Estado Sólido
Com o desenvolvimento dos amplificadores operacionais a válvula, foi possível realizar eletronicamente as operações de multiplicação por constante (amplificação), soma e subtração de sinais, derivada e integral de sinais no tempo, cascateando-se tais operadores, pode-se construir um circuito eletrônico que gere um sinal em volts idêntico à equação a ser resolvida. Apesar da alta freqüência de operação, as válvulas possuem grande dimensões e alto consumo. Estes problemas foram praticamente resolvidos com o advento da Física do Estado Sólido com o surgimento do Transistor.
Desde muito antes dos primeiros computadores eletrônicos procurava-se um dispositivo capaz de substituir as válvulas nos equipamentos eletrônicos. Os primeiros passos foram dados quando Willian Shockley (co-inventor do transistor, pois a iniciativa incluiu muitos outros pesquisadores) assumiu sua posição nos Laboratórios Bell, justamente após o término da segunda guerra mundial para investigar dispositivos alternativos à válvula. As esperanças residiam em algum forma explorar os conhecimentos em física do estado-sólido a partir dos conhecimentos recém descobertos relacionados com a estrutura eletrônica e atômica da matéria.
No começo de 1940 um cientista dos Laboratórios Bell, Russel S. Ohl, mostrou que materiais semicondutores possuíam propriedades interessantes, especificamente mostrando que um bloco de silício podia transformar energia luminosa em energia elétrica, fenômeno este vastamente explorado através das células solares.
A data do nascimento do transistor foi 23 de dezembro de 1947, quando o primeiro protótipo do transistor começou a funcionar após alguns anos de testes frustrantes. Foi um outro pesquisador da Bell, John Pierce que batizou o dispositivo “Amplister” e “transistor”, o último nome foi escolhido devido ao fato do dispositivo transferir corrente a partir de uma entrada de baixa resistência para uma
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saída de alta resistência (trans-resistor ou transistor). Inicialmente as dificuldades eram grandes: era impossível garantir a manufatura de dois transistores com as mesmas propriedades.
Em 1954 o primeiro rádio transistorizado foi construído e em 196 o primeiro computador transistorizado foi desenvolvido. Respcctivamente em 1957 e 1958, UNIVAC e Philco lançaram no mercado os primeiros computadores transistorizados do mundo.
a) b)
Figura 8 – 1o^ Circuito Integrado Feito no Brasil, Projeto e construído em abril de 1971 por João Antonio Zuffo a) Lâmina de silício de 1 polegada b) Pastilha encapsulada c) Detalhe do circuito de uma pastilha (chip) No caso 1 porta lógica (nor e or) baseada em 6 transistores (4 entradas e duas saídas). c)
Com o domínio tecnológico de manufatura e projeto dos dispositivos de estado sólido surgiram então as Placas de Circuito Impresso, cujo objetivo é de servir de suporte e interconexão aos compactos componentes eletrônicos de qualquer circuito, e ter um desenho compacto, um dos principais problemas foi o de resolver problemas de mau contato, alguns problemas surgiram como o das trilhas paralelas de cobre sofrerem interferência eletromagnética, vários materiais plásticos foram pesquisados e desenvolvidos para a confecção de placas de circuito impresso como fenolite, fibra-de- vidro (FR4) e duróide (muito usado em microondas).
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sinais analógicos. Ao contrário dos circuitos analógicos, os circuitos digitais não acumulam ruído, entretanto podem incorporar erros de quantização.
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Computadores Centrais
de Compu^ Sistemas- Pessoal^ tação de trabalho^ e estações
Sistemas epastilhas inseridos
Complexidadee (^) Figura 10 – Complexidade dos Sistemas Eletrônicos No final do século XX e início do século XXI a complexidade dos sistemas eletrônicos tem crescido de forma vertiginosa.
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 Ano
A principal avanço com o advento do Circuito Integrado foi o desenvolvimento dos microprocessadores, ou os “Computer On a Chip”, propostos inicialmente pelo engenheiro Marcian E. Hoff da Intel em 1971.
Figura 11 – Anatomia do Microprocessador Intel 80186 A Partir da Década de 70 e principalmente década de 80 o desenvolvimento dos microprocessadores tomou grande impulso, viabilizando a proliferação em larga escala dos microcomputadores e várias aplicações embarcadas (automobilismo, aviônica, PDAs).
Os microprocessadores deram enorme impulso a revolução da informática, baseada nos milhões de computadores atualmente disponíveis na sociedade.
Atualmente os desafios dos sistemas eletrônicos residem no que denomina-se “síntese de alto nível”, ou seja, sintetizar pastilhas de silício a partir de descrições de sistemas eletrônicos de alto nível, os famosos circuitos ASICs ( Application Specific Integrated Circuit).
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DAC Audio
DAC Video
Frame-bufferSRAM
compositeout video
serial ports
expansion slot
FPGA
PROM programming port DRAM
BIOS / O.S.
PS/2 keyboard port
PS/2 mouse port
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Figura 12 – Sistema Para Recepção de TV digital Baseado em Lógica Reconfigurável. Observe o desenho simplificado do sistema onde os blocos funcionais básicos são:
- Memória dinâmica
- Memória estática
- FPGA
- Interfaces
Estas técnicas de alto nível vão propiciar outra revolução na eletrônica comparada ao CI ou o microprocessador, pois à princípio aplicações poderão ser “compiladas” em silício e embutidas nas roupas, pessoas, automóveis e animais.
Finalmente na atualidade, circuitos eletrônicos reconfiguráveis estão se tornando cada vez mais populares. Neste caso, os circuitos eletrônicos podem se “adaptar” a aplicação final, desde que as suas conexões internas são armazenadas em memória. São os FPGAs ( Field Programmable Gate Arrays ). A utilização de FPGAs tem em muito simplificado o projeto de sistemas eletrônicos avançados.
(^080) 8 bits (^81 82 83) 8/16bits (^84 85) 16 bits (^86 87 88) 16bits (^89 90 91) 32 bits (^92 93) 32 bits (^94 95 96 97) 64 bits 98 99 2000 100
600 (^300200)
(^500400)
(^11001000) (^900800) 700
1500 (^130014001200)
128 bits^2005
Nú me ro de Co mp ut ad or es
Milhões Figura 13- Total de Microcomputadore s Disponível no Mundo
De forma surpreendente a tecnologia eletrônica avançou enormemente nas últimas décadas. Os próximos desafios ainda são grandes. Os computadores atuais ainda são deficientes na interação entre o ser humano e a máquinas sejam nas suas interfaces cognitivas (auditiva, visual e táctil) como biológicas (sensores neuronais). Num futuro muito próximo estaremos chegando as barreiras dos
