It would appear that we have reached the limits of what it is possible to achieve with computer technology, although one should be careful with such statements, as they tend to sound pretty silly in 5 years (Pode parecer que já alcançamos os limites do que é possível conseguir com a tecnologia de computadores, embora se deva encarar afirmações como esta com cautela pois elas tendem a se mostrar extremamente tolas em 5 anos). John von Neumann em 1949
Vimos na coluna anterior que, conforme as definições correntes (e nela citadas) dos conceitos de “organização de computadores” e “arquitetura de computadores”, esta última está relacionada com as características da máquina relevantes para o programador enquanto a primeira se relaciona àquilo que interessa ao projetista ou montador (o que inclui a subdivisão da máquina em partes, unidades ou componentes).
Vimos também que, à luz das observações de von Neumann em seu First Draft, duas das definições mais comuns de “arquitetura de von Neumann” na verdade não definem a arquitetura da máquina, mas sim sua organização. E que, portanto, elas poderiam servir perfeitamente para definir o que vem a ser uma “máquina de von Neumann”, mas não a “arquitetura de von Neumann” (para os que não leram a coluna anterior e não querem se dar ao trabalho de lê-la, as duas definições citadas são aquelas que identificam a máquina de von Neumann como a] aquela composta por cinco partes, a saber: unidade de controle, unidade aritmética, memória, unidade de entrada e unidade de saída, ou então b] aquela composta por três partes, a saber: unidade de processamento, memória e unidade de entrada/saída).
Então sobrou para esta coluna a agradável missão de continuar examinando o First Draft em busca de conceitos que nos ajudem a definir qual foi a arquitetura (e não a organização, posto que sobre esta nos pusemos de acordo) proposta por von Neumann para seu EDVAC.
E em que se baseariam estes conceitos?
Bem, se a conceituação estabelecida para arquitetura de computadores se relaciona com a forma como um computador “aparece para um programador” e se um programador, ao desenvolver seu programa (em linguagem de máquina, naturalmente, a única forma concebível em 1945 de programar computadores) nada mais faz que escrever instrução após instrução, temos que buscar a conceituação da arquitetura de von Neumann na forma pela qual a máquina por ele idealizada deveria tratar estas instruções (que ele chamava de “ordens”).
Até então, como as máquinas existentes faziam isto?
Bem, elas simplesmente as executavam. Isto porque, até então, as máquinas que existiam eram do tipo “controladas por programa” (program-controlled computers), como o Colossus (mostrado na Figura 1, obtida na Wikipedia), o ENIAC e o Mark I, nas quais as instruções praticamente faziam parte do hardware. Mais especificamente, e segundo a descrição da Wikipedia: “which were programmed by setting switches and inserting patch leads to route data and to control signals between various functional units” (que eram programadas ajustando-se interruptores e inserindo terminais que fechavam contatos para fazer fluir dados e sinais de controle entre as diversas unidades funcionais).
Máquinas deste tipo padeciam de duas graves limitações. A primeira tinha a ver com o fato de que, para carregar um programa (isto que você faz com um simples clique sobre um ícone em sua reluzente máquina de von Neumann) era preciso desligar o sistema e alterar as posições de todos os interruptores e contatos elétricos conforme a nova tarefa a ser executada (é verdade que nas máquinas mais “modernas” de então, isto podia ser feito usando cartões perfurados para fechar ou abrir os contatos necessários). A segunda era ainda mais incômoda: como as instruções eram introduzidas fisicamente no hardware, um programa não podia alterar suas próprias instruções em função de resultados intermediários obtidos pelo próprio programa.
O que von Neumann propôs no First Draft era algo completamente diferente e, indubitavelmente, revolucionário: armazenar instruções na própria memória do computador e tratá-las de tal forma que pudessem alterar a ordem em que eram executadas.
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Por: • 12/1/2014 • 5.495 Palavras (22 Páginas) • 980 Visualizações
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A arquitetura de Von Neumann, hoje considerada clássica, para quem atua na área de computadores digitais com programa armazenado na própria memória e, portanto, passível de automodificação e de geração por outros programas.
Von Neumann teve contribuições importantes nas áreas de arquitetura de computadores, princípios de programação, análise de algoritmos, análise numérica, computação científica, teoria dos autômatos, redes neurais, tolerância a falhas, sendo o verdadeiro fundador de algumas delas.
A aceleração no desenvolvimento de máquinas automáticas de cálculos na década de 1930 coincidiu-se com o apoio de agências militares durante a segunda guerra mundial, fator esse decisivo tanto para os EUA quanto para a Europa
O envolvimento direto de von Neumann com a Computação teve início naquela época
Von Neumann foi cativado pela possibilidade de automatizar os cálculos e entrou em contato com alguns construtores. Entretanto, o contato mais importante e mais frutífero foi com o trabalho de construção do computador chamado ENIAC desenvolvido por J. Presper Eckert e John Mauchly, na Escola Moore da Universidade de Pensilvânia, sob contrato do Laboratório de Pesquisas Balísticas. O encontro de von Neumann com a equipe do ENIAC materializou-se, nos meados do ano de 1944, através de Herman H. Goldstine, um matemático que, recrutado pelas forças armadas, era na época tenente e oficial de ligação entre o Laboratório e a equipe. Este evento deu início à colaboração muito íntima e duradoura entre von Neumann e Goldstine.
O projeto do ENIAC já estava então congelado e von Neumann contribuiu apenas para que os cientistas de Los Alamos fossem os primeiros usuários da máquina. Na mesma época, a Universidade de Pensilvânia celebrou um contrato suplementar para a construção de uma nova máquina, denominada EDVAC, proposta pouco antes por Eckert e Mauchly, mas cujas características ainda eram muito vagas. O novo projeto despertou enorme interesse de von Neumann que iniciou uma série de visitas regulares à Escola Moore, participando de reuniões relativas ao projeto, juntamente com Eckert, Mauchly, Goldstine e outros.
Arquitetura de computadores
Todas as máquinas construídas até o início do projeto do EDVAC eram programadas através de meios externos como cartões perfurados, fitas perfuradas, painéis, cabos de conexão etc, e dispunham de muito pouca memória para armazenar os dados e os resultados intermediários dos cálculos. Mesmo assim, a construção do ENIAC, cuja capacidade de armazenamento era de 20 números decimais de 10 dígitos (cerca de 700 bits), consumiu mais de 17 mil válvulas eletrônicas. Um fator decisivo para viabilizar o projeto de uma nova máquina foi a idéia de Eckert de utilizar linhas de atraso para implementar elementos de memória de custo muito mais baixo do que se fossem utilizadas válvulas. Com esta idéia, tornou-se possível pensar numa máquina com dezenas ou centenas de milhares de bits.
Como resultado das reuniões com a equipe de projeto e da frequente troca de correspondência, Von Neumann ficou encarregado de produzir um documento descrevendo os detalhes da organização da nova máquina. O documento nunca passou da fase de rascunho, publicado na íntegra somente vários anos mais tarde, sob forma ligeiramente editada (von Neumann, 1993).
Existe controvérsia quanto a quem teria sido o primeiro a propor o conceito de programa armazenado (Randell, 1994; Rosen, 1969; Stern, 1980; Wilkes, 1995). O trabalho teórico de Turing (1936), com o qual von Neumann estava familiarizado, já indicava essa possibilidade. Por outro lado, existem algumas referências ao assunto, bastante obscuras e ambíguas, em algumas fontes anteriores ao documento produzido por von Neumann, além das afirmações posteriores de Eckert, Mauchly e outros. Não há dúvida de que a idéia de programa armazenado estava no ar e é bastante provável que tenha sido sugerida por mais de uma pessoa ou nascido no meio de discussões sobre o novo projeto. Apesar da notoriedade desta controvérsia, não nos parece que a sua importância seja mais do que simbólica. Independentemente de quem tenha sido primeiro a sugerir a idéia de programa armazenado na memória, o fato é que o documento redigido por von Neumann é a primeira descrição minunciosa e quase completa da arquitetura de um computador desse tipo, com repertório de operações que permitiriam a utilização plena dos seus recursos. O documento é resultado, sem dúvida, das várias reuniões realizadas e das trocas de correspondência entre os pesquisadores, mas o próprio fato de ter sido von Neumann, consultor do projeto, encarregado da sua redação indica a importância e o grau da sua contribuição. De acordo com depoimentos de alguns dos seus colaboradores, o projeto lógico do computador deve-se principalmente a von Neumann, enquanto Eckert e Mauchly foram os principais responsáveis pelo projeto de circuitos de alta velocidade, linhas de atraso e outros detalhes físicos. Todos eles deram contribuições fundamentais ao projeto.
O relatório de von Neumann nunca foi completado. O texto contém muitas referências a seções que estavam planejadas mas não foram descritas, principalmente no que se refere à programação (maiores detalhes no item Programação de computadores). Mesmo assim, a leitura do relatório é muito instrutiva. Nota-se que não existia naquela época linguagem adequada para descrever muitos dos conceitos que estavam sendo introduzidos, o que dá ao texto um certo sabor medieval sob o ponto de vista da Computação. Além disso, os interesses de von Neumann incluíam sistemas neurais de McCulloch e Pitts, o que gerou uma tendência de explicar os vários dispositivos do computador em termos de analogia com o sistema nervoso. Por outro lado, é surpreendente a riqueza de idéias, muitas das quais continuam válidas até hoje. Von Neumann separa claramente o conceito de arquitetura lógica do computador da sua execução física. Apesar da hipótese de que linhas de atraso seriam utilizadas para implementar a memória da máquina, toda a descrição é feita em termos de blocos lógicos e suas interconexões. A própria divisão do projeto em unidades de controle, aritmética, memória e de entrada e saída é precursora de todos os projetos posteriores. Na realidade, quase todos os conceitos ainda nos parecem familiares.
As decisões de projeto apresentam justificativas, se possível, quantitativas, como por exemplo, o comprimento da palavra de 32 bits, o tamanho da memória de 2.048 ou 8.196 palavras, a decisão de construção de dispositivos aritméticos seriais. O repertório de instruções é suficiente para implementação
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