TC – DEI, 2005/2006

» I THINK THERE IS A WORLDMARKET FOR MAYBE 5 COMPUTERS « Thomas Watson, Chairman of IBM, 1943

Tecnologia dos Computadores2005/2006

Paulo Marquespmarques@dei.uc.pthttp://www.dei.uc.pt/~pmarques

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Alguma informação útil…

Professor: Paulo Marques Gabinete D-2.5 pmarques@dei.uc.pt

Toda a informação da cadeira irá está na respectiva página (aceder por http://www.dei.uc.pt)

É essencial assinar a lista de discussão da cadeira: Enviar um mail para majordomo@dei.uc.pt com:

subscribe tcomp login_aluno@student.dei.uc.pt

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Motivação

…

Programaçãoe

AlgoritmosMatemática

Teoria da Computação

SistemasOperativos

Arquitecturade

Computadores

Redesde

Dados

InteligênciaArtificial

Bases de Dados

Engenharia de Software

Multimédia SimulaçãoSistemas

Distribuídos

… … … …

…

…

…

…

CORPO DA INFORMÁTICA MODERNA

TECNOLOGIATECNOLOGIADADA

INFORMÁTICAINFORMÁTICA

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Tecnologia dos Computadores

Objectivos Introduzir os principais conceitos subjacentes às

diversas áreas da informática moderna Permitir obter uma noção global de como as

diversas disciplinas se organizam e interrelacionam

Introduzir os principais módulos de um computador moderno

Fornecer os conceitos básicos de electrónica digital utilizados no desenho de computadores

Essencial para as cadeiras de arquitectura de computadores que se seguem!

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Programa

Modelo de von Neumann

Sistemas de numeração

Introdução aos sistemas digitais

Representação de dados

Sistemas Operativos

Redes de Dados

Paradigmas das Linguagens de Programação

Ficheiros & Bases-de-Dados

Inteligência Artificial

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Corpo da Informática

Comunicação

Aplicação

Sistema Operativo

Programação

Hardware

Information

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von Neumann

Charles BabbageJohn Backus

Ada Lovelace

Fred Brooks

Edsger Dijkstra

Alan Kay

Donald Knuth

Leslie Lamport

Alan TuringGödel

Ken Thompson

Seymour Cray

Dennis Ritchie

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Bibliografia

Livro principal das teóricas [CSO]:Computer Science, An Overview

7th Edition, J. Glenn Brookshear

ISBN 0-201-78130-1, Addison-Wesley

Livro auxiliar das teóricas [CSI]:Computer Science Illuminated

Nell Dale & John Lewis

ISBN 0-7637-1760-6,

Jones and Bartlett Pub.

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Funcionamento da disciplina

Parte teórica Introdução aos diversos conceitos da informática,

de forma abrangente

Parte prática Componente laboratorial sobre Sistemas Digitais Fichas de trabalho publicadas todas as semanas ou

de duas em duas semanas Cada ficha publicada uma semana antes da data da

realização do trabalho É responsabilidade dos alunos ler e preparar os

trabalhos antes da aula em questão

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Avaliação

Exame/Exame de Recurso: 15 valores (mínimo = 5 valores) Com consulta A nota não é assegurada para o exame de recurso Não é permitido o uso de calculadoras / portáteis

Avaliação contínua na parte prática Total = 5 valores (mínimos = 2 valores) 3 valores trabalhos, avaliados no final da aula 2 valores TPCs Nota_TPCs =

2*(TPCs_Entregues/#TPCs)*(média normalizada de 2) Trabalho: Grupos de 2 alunos; TPCs: individuais

Modelo de von Neumann

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Organização de um computador

Existem três componentes principais: o CPU, a memória central e os periféricosTodos os componentes comunicam utilizando um (ou mais) BUS

CPUMemóriaCentral

Periféricos

DadosEndereçosControlo

BUS

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Arquitectura de von Neumann

O computador executa uma sequência de instruções que actuam sobre dados. Tanto as instruções como os dados encontram-se

em memória

ALU(Unidade Aritmética

e Lógica)

Unidade de Controlo

Dispositivosde Entrada/Saída

Memória

Comandos de Controlo

Comandos de Controlo

Dados Dados

Dados

CPU

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Fetch-Decode-Execute

Toda a arquitectura de von Neumann é baseada no ciclo “fetch-decode-execute”Em cada ciclo de relógio: Vai-se buscar uma instrução à memória, de acordo com o valor do Program

Counter (PC), colocando-se a mesma no Instruction Register (IR) Descodifica-se a instrução, verificando-se o que é que esta deverá fazer Executa-se a instrução propriamente dita (em IR)

Instructions

Data

ABC

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Modelo simples de um processador

O processador contém a Unidade Aritmética e Lógica (ALU), e a Unidade de ControloExistem dois registos especiais: IR (contém a instrução a executar) e PC (o contador de programa). Existem também registos de âmbito geral e registos especiais

Processador

ALU Unidade Controlo

IR: Instruction Register

PC: Program Counter

R0: General Register 0

R1: General Register 0

…

Memória

BUS

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

…

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Como é que se adicionam dois números?

Passo 1: Carregar o primeiro número de memória para um registo:

MOV R1, [1000]

Passo 2: Carregar o segundo número de memória para outro registo:

MOV R2, [1004]

Passo 3: Adicionar os números nos registos, colocando o resultado

noutro registo: ADD R3,R1,R2

Passo 4: Colocar o resultado de novo em memória:

MOV [1008],R3

z = x + y;

[1000] [1004] [1008]

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O que é uma instrução exactamente?

ADD R3,R1,R2

1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0

opcode(ADD)

param1(R3)

param2(R1)

param3(R2)

IR:

13 3 1 2

opcode(ADD)

param1(R3)

param2(R1)

param3(R2)

IR:

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John von Neumann (1903-1957)

Matemático brilhante, “inventor” do conceito de stored-program e pai do computador moderno Na verdade, sabe-se que uma boa parte

do trabalho foi feito pela equipa de JP Eckert (ENIAC), simplesmente von Neumann não colocou o nome dos outros autores no artigo original

Desenhou a máquina IAS que se tornou o protótipo de virtualmente todos os computadores que se seguiram!

Foi um dos homens a quem foi encarregue a construção da bomba atómica em Los Alamos

Para saber mais:http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Von_Neumann.htmlhttp://ei.cs.vt.edu/~history/VonNeumann.html

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A importância do BUS

Front-side BUS

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North & South bridges

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Hierarquia de memória

Princípio da localidade espacial: Se eu acedi a estes dados, é

provável que aceda aos dados que estão próximos (e.g. uma imagem)

Princípio da localidade temporal: Se eu acedi à pouco tempo a estes

dados, é provável que lhes vá aceder dentro de pouco tempo

Registos

Cache

Memória Central (RAM)

Memória de Massa (Disco)

~128x 32bits

~512Kbyte

~512Mbyte

~60Gbyte

VelocidadePreço

Tamanho

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Principais tipos de memórias num PC

ROM: Read-Only Memory Memória apenas de leitura, programada de fábrica. Os dados não desaparecem quando é desligada da corrente. Tipicamente utilizada para implementar a BIOS (Basic Input Output

System) nos computadores. Hoje em dia, é tipicamente utilizada EEPROM – Electrical Erasable

ROM

RAM: Random Access Memory Memória de leitura e escrita, de acesso aleatório É volátil: os dados desaparecem quando se desliga da corrente Tipicamente utilizada para implementar a memória central dos

computadores. Existem muitas tecnologias: DDR, SDRAM, EDO...

Massa Memória não volátil, de tecnologia mecânico-magnética Utilizada para armazenamento de grandes quantidades de dados

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O “cérebro” – O CPU (1)

Pentium 4 waffer

Pentium 4 die, 42 milhões de transistores!

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Lei de Moore

Apenas quatro anos após o circuito integrado ter sido inventado, Moore disse que: “O número de transístores que a industria

irá colocar num circuito integrado duplicará todos os anos.”

A lei neste momento diz que são todos os 18 meses!

A performance está directamente relacionada com o número de transístores num integrado (mas não só!)

Infelizmente, as outras partes dos computadores (nomeadamente os discos), não acompanham esta evolução.

Gordon E. Moore,Co-Fundador da Intel

em 1968

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Lei de Moore (2)

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Quiz

Que processador é este?

O primeiro CPU! Intel 4004: 4 bits, 46 instruções 1971

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Leitura para o próximo mês…

The Computer: An Illustrated HistoryChristian WursterISBN 3822812935, TASCHEN, February 2002

Out of Their Minds:The Lives and Discoveries of 15 Great Computer ScientistsDennis Shasha, Cathy Lazere ASIN 0387979921,Copernicus Books, July 1995

Uma Visão Sobre um PC Moderno

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» COMPUTERS IN THE FUTUREMAY WEIGH NO MORE THAN1.5 TONS « Popular Mechanics, 1949

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Um exemplo: Compaq Presario 6640PT

Processador Intel® Pentium® 4 – 2,4 GHz Chipset Intel® i845GE 533MHz Velocidade de bus 512 KB de cache de nível 2

Memória 256 MB DDR-SDRAM 333MHz, em

dois DIMMs

Armazenamento 60 GB Unidade de disco rígido Ultra

DMA (5400 rpm) Unidade de DVD-ROM 16x +

Gravador de CDs 48x 12x 48x Unidade de disquete de 3,5” - 1,44

MB

Video/Audio ATI® Radeon™ 9000 c/ 64 MB de

memória Solução integrada de som

Comunicação Modem V92 56 kbps Interface de rede 10/100BT Interface IEEE 1394

Acessórios Teclado + Rato PS2 Ecrã plano de 17”

Expansibilidade 5 baías de expansão 1 porta AGP 3 PCI (2 PCI livres) 6 portas USB 2.0 (2 frontais) 1 porta paralela 1 porta série  (RS-232) 1 porta IEEE 1394 1 saída TV

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Motherboard (ASUS P4S8X)

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ASUS P4S8X

Default Clock Speed (MHz) 2019.89

North Bridge SiS 648

South Bridge SiS 963

Number of PCI slots 6

Memory type DDR200/266/333

Number of memory slots 3

Maximum Memory (GB) 3

AGP Pro Support Yes

Number of Physical USB 1.1 ports 0

Number of Physical USB 2.0 ports 6

Southbridge UDMA 133 Support Yes

On-board Sound C-Media CMI9739A 6 Channel Audio

On-board LAN Realtek RTL8201BL

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Motherboard 101 – Periféricos

Ligação a periféricos

Rato eTeclado

Portas USB

Porta Série

Porta Paralela

Porta Firewire

RedeFastEthernet

Som

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Motherboard 101 – CPU

CPU &Alimentação

Heat sinks

Pentium 4 +Heat sink +Fan

Pentium 4

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Motherboard 101 – Alimentação

Conector de Alimentação

Conector de Alimentação de

Dispositivos

Conector de Alimentação da

Motherboard

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Motherboard 101 – Memória

Receptáculo dos módulos de

memória

Módulos de memória DDR

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Motherboard 101 – Discos & CD-ROMS

Os PCs actuais trazem dois controladores de disco, um primário e um secundário.

Cada um pode controlar dois discos: um master e um slave.

Disco IDE

Cabo de disco IDE

Selecção Master/Slave

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Motherboard 101 – Placa Gráfica

Slot AGP para aplaca gráfica

Placa Gráfica

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Motherboard 101 – Slots PCI

Slot de expansão

Placa de Rede PCI

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O Resultado é…

Um PC!

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Quiz: Que coisa é esta??

Currently the fastest machine on the face of the Earth

The Earth Simulator is a project to develop a 40 TFLOPS system for climate modeling. Currently it performs at 35.86 TFLOPS.

The ES is based on: - 5,120 (640 8-way nodes) 500 MHz NEC CPUs

- 8 GFLOPS per CPU (41 TFLOPS total) - 2 GB RAM per CPU (10 TB total) - Shared memory inside the node - 640 × 640 crossbar switch between the nodes

- 16 GB/s inter-node bandwidth

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Para saber mais...

[CSO] Computer Science – An Overview Capítulo 0 Capítulo 2 (2.1, 2.2, 2.3, 2.5)

How Stuff Works (http://computer.howstuffworks.com): How PCs Work How Microprocessors Work How Motherboards Work How Computer Memory Works

Informação Extra: Arstechnica, The PC Enthusiast’s Resource:

http://www.arstechnica.com/