Historia e arquitetura de computadores, Pesquisas de Design de Sistemas Digitais. Universidade Eduardo Mondlane
apolo_fumbuja
apolo_fumbuja26 de Abril de 2016

Historia e arquitetura de computadores, Pesquisas de Design de Sistemas Digitais. Universidade Eduardo Mondlane

PDF (821 KB)
19 páginas
5Números de download
392Número de visitas
Descrição
Trabalho de pesquisa de Sistemas Digitais sobre: Historia de computadores, arquitetura de computadores e microprocessadores
20pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 19
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 19 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 19 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 19 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 19 pages
baixar o documento

Lista de Figuras

Figura 1 Computador mecanico (Àbaco) ................................................................................... 3

Figura 2 Regua de calculo.......................................................................................................... 4

Figura 3 Pascalina de Blaise Pascal ........................................................................................... 4

Figura 4 Calculadora de Leibnitz ............................................................................................... 4

Figura 5 maquinas de cartoes perfurados................................................................................... 5

Figura 6 Máquina difenciasl (a esquerda) e máquina analítica (a direita) de Charles Babbage 6

Figura 7 Máquina de Hollerith ................................................................................................... 6

Figura 8 Computador e Integrador numerico electrônico .......................................................... 7

Figura 9 IBM 7030 - Segunda geracao ...................................................................................... 9

Figura 10 Modelo de Von – Neuman ...................................................................................... 11

Figura 11 Modelo de Harvard .................................................................................................. 13

1

Índice

1. Introdução ........................................................................................................................... 2

2. Definição ......................................................................................................................... 3

3. História de computadores ................................................................................................... 3

3.1. Computadores mecânicos ........................................................................................ 3

3.2. Computadores electrónicos ......................................................................................... 6

3.2.1. Computadores pré – modernos ............................................................................ 6

3.2.2. Computação Moderna .............................................................................................. 8

3.2.2.1. Computadores da primeira geração (1951/1959) ................................................. 8

3.2.2.2. Computadores de segunda geração (1959/1965) ................................................. 8

3.2.2.3. Computadores de terceira geração (1965/1975) ................................................. 9

3.2.2.4. Computadores de quarta geração (1976-….) .............................................. 10

3.3. Perspectivas futuras ................................................................................................... 10

4. Arquitectura de Von-Neuman vs Harvard ........................................................................ 11

4.1. Modelo de Von-Neuman ........................................................................................... 11

4.1.1. Principais características .................................................................................... 11

4.1.2. Vantagens ....................................................................................................... 12

4.1.3. Desvantagens .................................................................................................. 12

4.2. Modelo de Harvard.................................................................................................... 13

4.2.1. Características principais................................................................................ 13

4.2.2. Vantagens ....................................................................................................... 13

4.2.3. Desvantagens .................................................................................................. 13

5. Arquictetura CISC vs RISC .......................................................................................... 14

5.1. Arquictetura CISC ..................................................................................................... 14

5.1.1. Características ................................................................................................ 14

5.1.2. Vantagens ....................................................................................................... 14

5.1.3. Desvantagens .................................................................................................. 14

5.2. Arquictectura RISC ............................................................................................... 15

5.2.1. Caracteristicas ................................................................................................ 15

5.2.2. Vantagens ....................................................................................................... 15

5.2.3. Desvantagens .................................................................................................. 15

6. Conclusão ......................................................................................................................... 17

7. Referencias Bibliográficas ................................................................................................ 18

2

1. Introdução

O trabalho, versa o estudo de microprocessadores, a descrição, estudo e comparação dos

principais modelos de microprocessadores e computadores, sem deixar de lado o historial da

evolução dos computadores.

O computador é uma maquina que com poucos comandos executados, permite ter um leque

de soluções de problemas diversos. Antigamente eram maquinas carissimas e utilizadas por

instituições e empresas para fins destas. Atualmente esta presente no nosso cotidiano como

nunca antes visto

3

2. Definição

Microprocessador é um circuito integrado (“chip”) capaz de executar instruções, tais como,

cálculos matemáticos, e diversas funções lógica, tendo com sua principal parte a Unidade

Central de Processamento (CPU).

3. História de computadores

Os computadores são utilizados a milhares de anos, porem os computadores utilizados antigamente

tem características e principio de funcionamento muito distintas dos acuais, visto que para utilizarmos

os computadores mais antigos precisaremos de mais tempo, quantidade de potencia fornecida, entre

outros aspetos, contudo, iremos acompanhar o desenvolvimento do computador num especto geral.

3.1. Computadores mecânicos

A historia do computador começou com o Àbaco, que era um computador mecânico utilizado a cerca

de 3000 anos atras no Oriente medio, era basicamente uma calculadora decimal operada manualmente

para a realização de soma e subtracao.

Figura 1 Computador mecânico (Àbaco)

O Ábaco teve pouca competência quando em 1617 O escocês John Napier inventou as tabelas

de logaritmos como fundamento para um dispositivo que multiplicava números, encontrar a

solução de cálculos matemático. O seu trabalho conduziu a regra de calculo.

Logo, em 1638 depois de Cristo, um padre inglês chamado William Oughtred, criou uma

tabela muito interessante para a realização de multiplicações muito grandes. A base de sua

invenção foram as pesquisas sobre logaritmos, realizadas pelo escocês John Napier.

4

Figura 2 Régua de cálculo

Depois, em 1642 Blaise Pascal construiu a primeira calculadora digital para ajudar seu pai

com o trabalho de coleta de impostos. O dispositivo, chamado Pascalina, podia adicionar e

subtrair pela simples rotação de botões em cima da máquina.

Seu funcionamento era baseado no uso de rodas interligadas que giravam na realização dos

cálculos. A ideia inicial de Pascal era desenvolver uma máquina que realizasse as quatro

operações matemáticas básicas, o que não aconteceu na prática, pois ela era capaz apenas de

somar e subtrair. Por esse motivo, a tecnologia não foi muito bem acolhida na época.

Figura 3 Pascalina de Blaise Pascal

A calculadora de Leibnitz podia não somente adicionar e subtrair, mas também multiplicar e

dividir além da raiz quadrada. Outra coisa interessante sobre esta calculadora é que o seu

design foi inovador para a época. Um modelo funcional da máquina não surgiu até 1791, um

longo período após a morte do inventor.

Figura 4 Calculadora de Leibnitz

5

Em todas as máquinas e mecanismos mostrados, as operações já estavam previamente programadas,

não sendo possível inserir novas funções. Contudo, no ano de 1801, o costureiro Joseph Marie

Jacquard desenvolveu um sistema muito interessante nesta área.

A indústria de Jacquard atuava no ramo de desenhos em tecidos, tarefa que ocupava muito tempo de

trabalho manual. Vendo esse problema, Joseph construiu a primeira máquina realmente programável,

com o objetivo de recortar os tecidos de forma automática.

Tal mecanismo foi chamado de Tear Programável, pois aceitava cartões perfuráveis com entrada do

sistema. Dessa maneira, Jacquard perfurava o cartão com o desenho desejado e a máquina o

reproduzia no tecido. A partir desse momento, muitos esquemas foram influenciados pelo tear,

incluindo o que vamos explicar logo abaixo.

Figura 5 maquinas de cartoes perfurados

Em 1820 Charles Babbage contruiu o primeiro dispositivo que utilizava os princípios de

computadores modernos. Dos seus inventos, temos a maquina diferencial que solucionava problema

de polinómios utilizando as diferenças finitas. Os componentes muito precisos que constituíam esta

máquina complicada não podiam ter sido conseguidos em anos anteriores. A invenção de Babbage

nasceu com os avanços na tecnologia com a Revolução Industrial. A Máquina Diferencial nunca foi

completamente construída. Babbage planejou ela enquanto ainda era um estudante de graduação da

Universidade de Cambridge. Mas enquanto a máquina estava em processo de fabricação, ele teve uma

ideia melhor e deixou este trabalho inacabado, em favor da Máquina Analítica ilustrada no próximo

slide. A Máquina Analítica foi construída completamente, por Georg e Edvard Schuetz, a partir dos

desenhos de Babbage.

6

Figura 6 Máquina difenciasl (a esquerda) e máquina analítica (a direita) de Charles Babbage

O conceito de cartões desenvolvidos na máquina de Tear Programável também foi muito útil

para a realização do censo de 1890, nos Estados Unidos. Nessa ocasião, Hermann Hollerith

desenvolveu uma máquina que acelerava todo o processo de computação dos dados.

Aproveitando todo o sucesso ocasionado por sua máquina, Hollerith fundou sua própria

empresa, a Tabulation Machine Company, no ano de 1896. Após algumas fusões com outras

empresas e anos no comando do empreendimento, Hoolerith veio a falecer. Quando um

substituto assumiu o seu lugar, em 1916, o nome da empresa foi alterado para Internacional

Business Machine, a mundialmente famosa IBM.

Figura 7 Máquina de Hollerith

3.2. Computadores electrónicos

3.2.1. Computadores pré – modernos

Na primeira metade do século XX, vários computadores mecânicos foram desenvolvidos,

sendo que, com o passar do tempo, componentes eletrônicos foram sendo adicionados aos

projetos. Em 1931, Vannevar Bush implementou um computador com uma arquitetura

7

binária propriamente dita, usando os bits 0 e 1. A base decimal exigia que a eletricidade

assumisse 10 voltagens diferentes, o que era muito difícil de ser controlado. Por isso, Bush

fez uso da lógica de Boole, onde somente dois níveis de voltagem já eram suficientes.

A Segunda Guerra Mundial foi um grande incentivo no desenvolvimento de computadores,

visto que as máquinas estavam se tornando mais úteis em tarefas de desencriptação de

mensagens inimigas e criação de novas armas mais inteligentes. Entre os projetos

desenvolvidos nesse período, o que mais se destacou foi o Mark I, no ano de 1944, criado

pela Universidade de Harvard (EUA), e o Colossus, em 1946, criado por Allan Turing.

O primeiro progresso real da era dos computadores eletrónicos digitais ocorreu nos finais da

década de 1930, quando Howard Haiken da Universidade de Harvard (com apoio da IBM) e

George Slibtiz De Laboratório de Telefone Bell desenvolveram uma calculadora automática.

O computador eletromecânico possuía relês mecânicos (chaves) que chaveavam para

representar um resultado matemático. Este computador evidentemente era gigante, pesando

cerca de 35 toneladas e possuindo 800 km de cabos.

No inicio da década de 1940 J. Presper Eckert e John Mauchly foram professores na Escola

de Engenharia Moore da Universidade da Pensilvânia. juntos desenvolveram e construíram o

ENIAC (“Electronic Numerical Integrator and Computer”) com suporte do Departamento de

Defesa dos EUA. O ENIAC foi entregue em 1946. Eckert e Mauchly registraram a patente

como inventores do computador eletrônico, ignorando o trabalho de Atanasoff. Quase trinta

anos depois, em 1972, esta injustiça foi corrigida quando Honeywell (em defesa de

Atanasoff) contestou Sperry Rand (a companhia que adquiriu a patente de Eckert e Mauchly),

e assim, Atanasoff e Berry foram devidamente creditados como sendo os inventores do

computador eletrônico.

Figura 8 Computador e Integrador numerico electrônico

8

3.2.2. Computação Moderna

A computação moderna pode ser definida pelo uso de computadores digitais, que não

utilizam componentes analógicos com base de seu funcionamento. Ela pode ser dividida em

várias gerações.

3.2.2.1.Computadores da primeira geração (1951/1959)

A primeira geração de computadores modernos tinha com principal característica o uso de

válvulas eletrônicas, possuindo dimensões enormes. Eles utilizavam quilômetros de fios. As

válvulas normalmente quebravam após algumas horas de uso e tinha o processamento

bastante lento. Nesta geração os computadores calculavam com uma velocidade de milésimos

de segundo.

Porém possuía um grande problema: devido ao grande número de válvulas e operando à taxa

de 100.000 pulsos por segundo, havia 1,7 bilhão de possibilidades a cada segundo e uma

válvula falhasse, além da tendência de elevado aquecimento, já que as válvulas liberavam

tanto calor que até mesmo com ventiladores a temperatura ambiente subia. As suas válvulas

apresentavam os seguintes problemas:

 Aquecimento demasiado provocando queima constante

 Elevado consumo de energia

 Eram relativamente lentas

 Uso restrito

 Precisava ser reprogramado a cada tarefa

 Grande consumo de energia

O ENIAC foi desativado em 2 de Outubro de 1955 e seu sucessor foi o EDVAC, planejado

para acelerar o trabalho armazenado, armazenando os dados eletronicamente e ainda capaz de

codificar as informações de forma binária em vez de forma decimal, reduzindo assim o

número de válvulas.

3.2.2.2.Computadores de segunda geração (1959/1965)

A válvula foi substituída pelo transístor. Seu tamanho era 100 vezes menor que o da válvula,

não precisava de tempo para aquecimento, consumia menos energia, era mais rápido e

confiável. Os computadores desta geração já calculavam em microssegundos (milionésimos).

9

 Início do uso comercial

 Tamanho gigantesco

 Capacidade de processamento muito pequena

 Uso de transístores em substituição às válvulas

Figura 9 IBM 7030 – Segunda geracao

3.2.2.3.Computadores de terceira geração (1965/1975)

Os computadores dessa geração foram construídos utilizando chips, com dimensões

reduzidas, várias dezenas de transistores interligados formando circuitos eletrônicos

complexos. Em 1975 Bill Gates e Paul Allen criaram o primeiro software para

microcomputador e em 1977 surge no mercado três microcomputadores: o Apple II, o TRS-

80 da Radio Shack e o PET da Commodare. Permitiram que uma mesma placa armazenasse

vários circuitos que se comunicavam com hardwares distintos ao mesmo tempo.

 Surgem os circuitos integrados

 Diminuição do tamanho

 Maior capacidade de processamento

 Início da utilização dos computadores pessoais

Os transistores foram substituídos pela tecnologia de circuitos integrados (associação de

transistores em pequena placa de silício). Além deles, outros componentes eletrônicos foram

reduzidos e montados num único CHIP, que já calculavam em nanossegundos (bilionésimos).

10

Os computadores com o CI (Circuito Integrado) são muito mais confiáveis, bem menores,

tornando os equipamentos mais compactos e rápidos, pela proximidade dos circuitos;

possuem baixíssimo consumo de energia e menor custo.

3.2.2.4.Computadores de quarta geração (1976-….)

A quarta geração é conhecida pelo advento dos microprocessadores e computadores pessoais,

com a redução drástica do tamanho e preço das máquinas. As CPUs atingiram o incrível

patamar de bilhões de operações por segundo, permitindo que muitas tarefas fossem

implementadas.

As características de computadores desta geração estão descritas abaixo:

 Processadores de texto

 Planilhas eletrônicas

 Gerenciadores de banco de dados

 Gráficos

 Gerenciadores de comunicação

 Supercomputadores

 Automação de escritórios

 Automação comercial e industrial

 CAD/CAM e CAE

 Robótica, Imagem virtual, Multimídia, Era on-line (comunicação através da Internet)

3.3. Perspectivas futuras

Os computadores quânticos também estão sendo largamente pesquisados ao redor do mundo.

nesse tipo de computador, são os átomos que desempenham o papel dos transístores. Ao

contrário dos clássicos bits digitais (0 e 1), as menores unidades de informação de um

computador quântico podem assumir qualquer valor entre zero e um. Dessa forma, existem

previsões bem otimistas de que essa nova tecnologia substitua o silício (matéria-prima dos

transístores) em pouco tempo.

Também estão sendo desenvolvidas pesquisas no estados unidos, rasil e outroa países sobre a

possibilidade de troca de informação através de feixes de luz em computadores que serão

chamados de computadores opticos

11

4. Arquitectura de Von-Neuman vs Harvard

4.1. Modelo de Von-Neuman

4.1.1. Principais características

O modelo de Von-Neuman tinha como principais características as seguintes:

1. Três componentes principais

 CPU (unidade central de processamento) – controla todos os componentes e

executa instruções transforma instruções em ondem a outros componentes’

Unidade aritmética logica (ALU) – realiza operações matemáticas e logicas.

Registos – armazena dados binários, de acesso rápido e tamanho fixo.

 Memoria principal – tida como armazém de programas e dados

 Periféricos de entradas e saídas

2. Processamento sequencial de instruções

3. Dados binários

4. Sistema de interconexão

 Conecta a memoria e a unidade de controlo

 Forca a alteração de ciclo de leitura e escrita e execução de programas

Figura 10 Modelo de Von – Neuman

12

Barramento de dados e instruções – transfere informações

Barramento de endereço – identifica a fonte e destino de dados. Por exemplo, o CPU

necessita ler uma intrucao ou dado localizado na memoria. O seu tamanho determina

capacidade máxima de memoria do sistema. Exemplo, o microprocessador Intel 8080 tem

16bit=>64k de Espaço direcionável

Barramento de controlo e sincronização – controla o sinal de leitura ou escrita a memoria, e

da temporização bem como a interrupção de instruções.

Resumindo, Arquitetura de Von-Neumann (de John Von-Neumann) é uma arquitetura de

computador que se caracteriza pela possibilidade de uma máquina digital armazenar seus

programas no mesmo espaço de memória que os dados, podendo assim manipular tais

programas e dados com um único barramento.

4.1.2. Vantagens

1. Arquitetura mais simples;

2. Possui microprocessador com mais instruções;

3. Possui mais instruções do que a arquitetura de Von-Neuman, por isso são conhecidos

como microcontroladores “CISC”.

4.1.3. Desvantagens

1. Processa uma única informação por vez, porque as instruções e dados percorrem o

mesmo barramento

2. Sistema lento em relação a arquitetura Harvard, pois não permite acesso simultâneo a

dados e instruções.

Alguns exemplos de componentes com arquitetura Von-Neumann

4004 – Processador com 46 instruções.

8080 – Processador com 78 instruções.

8085 – Processador com 150 instruções.

Z80 – Processador com mais de 500 instruções.

13

8051– Microcontrolador com 111 instruções.

4.2. Modelo de Harvard

4.2.1. Características principais

A Arquitetura de Harvard baseia-se em um conceito mais recente que a de Von-Neumann,

tendo vindo da necessidade de por o microcontrolador para trabalhar mais rápido. É uma

arquitetura de computador que se distingue das outras por possuir duas memórias diferentes e

independentes em termos de barramento e ligação ao processador.

Baseia-se na separação de barramentos de dados das memórias onde estão as instruções de

programa e das memórias de dados, permitindo que um processador possa acessar as duas

simultaneamente, obtendo um desempenho melhor do que a da Arquitetura de Von-Neuman,

pois pode buscar uma nova instrução enquanto executa outra.

Figura 11 Modelo de Harvard

4.2.2. Vantagens

A principal vantagem desta arquitetura é dada pela dupla ligação às memórias de dados e

programa (código), permitindo assim que o processador leia uma instrução ao mesmo tempo

em que faz um acesso à memória de dados.

4.2.3. Desvantagens

 Arquitetura mais complexa comparada com a de Von-Neuman

 Normalmente esta arquictetura possui um repretorio com menos intrucoes do que a de

Von-Neuman, por isso, também são conhecidos como microcontroladores “RISC”.

Alguns exemplos de componentes com arquitetura Harvard:

- Intel 8086 e 8088

14

- Microcontroladores PIC – 35 instruções na versão PIC16

5. Arquictetura CISC vs RISC

5.1. Arquictetura CISC

CISC – Complex Intrution Set Computer, ou um computador com conjunto de instruções

complexas. Possui numero elevado de instruções que permitem a realização de cálculos entre

operandos situados na memoria. E, nessa tecnologia há possibilidade de se colocar todos os

circuitos num apenas chip

5.1.1. Características

1. Ausência de compiladores;

2. Contem grande quantidade instruções de códigos;

3. Facilita a correção de erros

4. Único conjunto de registradores

5. Fracamente paralelizado

5.1.2. Vantagens

1. Reduz a dificuldade de criar compiladores

2. Permite reduzir o custo total do sistema;

3. Reduz o custo de criação de software, pois possui macroinstruções na Rom interna

4. Possui macroinstruções que converte instruções complexas em varias instruções

simples

5. Reduzem a quantidade de códigos executáveis devido a presença de quase todas as

instruções e códigos gravados no microprocessador.

6. Muitos modos de endereçamento

7. Melhorar a compactação do código e facilita a detenção de erros

5.1.3. Desvantagens

1. O código complexo em CISC pode ser escrito em RISC de forma desejada, usando

conjunto de intrucoes simplificadas

2. Conjunto de intrucoes complexas

3. Passagem de parâmetros ineficientes através da memoria

15

4. Inreucao em muitos ciclos

5.2. Arquictectura RISC

5.2.1. Caracteristicas

RISC – Reduced Intrucion Set Computer ou Computador com um conjunto reduzido de

intrucoes.

Visando aumentar a capacidade de processamento, descobriu-se na base de experimentos

que, com uma determinada arquitetura de base, a execução de programas copilados com

microinstruções existentes na memoria externa o circuito integrado era mais eficiente graça a

redução de tempo de acesso a memoria ter sido significativamente reduzido. O objetivo da

RISC é arranjar esforços externos nom base em softwares com acesso a RAM para que a

instrução seja executada mais rapidamente. Estes processadores possuem múltiplos conjuntos

de registradores e muitas vezes separados e são altamente paralelizados

5.2.2. Vantagens

1. Mais rápidos do que CISC

2. Pode realizar operações na memoria, operando e conservando o resultado reduzindo o

período de execução novas operações

3. Cada operação pode ser executada em um ciclo de CPU

4. Menos quantidade de instruções

5. Passagem eficiente de parâmetros por registradores no chip

6. Instrução em um único ciclo, simples e em numero reduzido

5.2.3. Desvantagens

1. Execução otimizada de chamada de funções constitui uma desvantagem pois requer

mais tempo

2. Complexidade nos compiladores

3. Poucos modos de endereçamentos

Atualmente os microprocessadores CISC possuem dentro de si microprocessadores RISC, em

uma combinação feita pela Intel resultando em um microprocessador denominado EPIC

(Explicit Parallel Instrution Computer). A ideia básica deste microprocessador é executar

16

varias instruções em paralelo umas com as outras. Contudo, os microprocessadores CISC

embora tenham sido referidos como mais lentos e complexos do que os RISC são melhores,

pois a lentidão destes é compensada pela existência de memorias bastante rápidas da

atualidade e, a sua utilização para a criação de microprocessadores futuros enquanto que os

RISC tendem a ser inutilizados.

17

6. Conclusão

Observando as grandes vantagens do uso dos computadores, pode-se concluir que estes

desempenham grande papel no que concerne a produção de conhecimento a a facilitação das

actividades do quotidiano. Conseguimos observar o seu desenvolvimento e o seu enorme

potencial naquilo que são os desafios da actualidade.

A computação possui uma frente de futuro promissora e revolucionário, com os actuais

estudos dos computadores quânticos e ópticos.

18

7. Referencias Bibliográficas

Null, L. and J. Lobur. The Essentials of Computer Organization and

Architecture, Jones and Bartlett Publishers, Feb. 2003

David A. Patterson. Carlo. H. Sequin. RISC I: A Reduced Instruction Set VLSI

Computer. 1982.

Dileep Bhandarkar. Douglas W. Clark. Performance from Architecture:

Comparing RISC and a CISC with Similar Hardware Organization. 1991.

Introduction to RISC Technology.

http://www.inf.fh-dortmund.de/person/prof/si/risc/intro to risc/irt0 index.html

comentários (0)
Até o momento nenhum comentário
Seja o primeiro a comentar!
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 19 pages
baixar o documento