Instituto Federal do Cear IFCE Campus Aracati Disciplina

Instituto Federal do Ceará - IFCE Campus Aracati Disciplina: Arquitetura de Computadores AULA 05 Chico Anysio Óleo sobre tela 60 x 40 cm

Sumário 1. 1 Conceitos Básicos 1. 2 Modelo de Von Neumann 1. 3 Sistemas Centralizados 1. 4 Sistemas Distribuídos 1. 5 Máquina de Estados Finitos Um pouco de História: Alan Turing

1. 0 Conceitos Básicos

Architecture & Organization 1 • Architecture is those attributes visible to the programmer – Instruction set, number of bits used for data representation, I/O mechanisms, addressing techniques. – e. g. Is there a multiply instruction? • Organization is how features are implemented – Control signals, interfaces, memory technology. – e. g. Is there a hardware multiply unit or is it done by repeated addition?

Architecture & Organization 2 • All Intel x 86 family share the same basic architecture • The IBM System/370 family share the same basic architecture • This gives code compatibility – At least backwards • Organization differs between different versions

Structure & Function • Structure is the way in which components relate to each other (Instruction set, number of bits used for data representation, I/O mechanisms, addressing techniques) • Function is the operation of individual components as part of the structure (Control signals, interfaces, memory technology)

Function • All computer functions are: – Data processing – Data storage – Data movement – Control

Functional View

Operations (a) Data movement

Operations (b) Storage

Operation (c) Processing from/to storage

Operation (d) Processing from storage to I/O

Structure - Top Level Peripherals Computer Central Processing Unit Computer Systems Interconnection Input Output Communication lines Main Memory

Structure - The CPU Computer Arithmetic and Login Unit Registers I/O System Bus Memory CPU Internal CPU Interconnection Control Unit

Structure - The Control Unit CPU Sequencing Login ALU Internal Bus Registers Control Unit Registers and Decoders Control Memory

1. 1 Modelo de Von Neumann

Alan Turing

Von Neumann

Modelo de Von Neumann • Conceito de Programa Armazenado • BUSCA / DECODIFICA / EXECUTA

Modelo de Von Neumann

Modelo de Von Neumann

Réception d’un message – hardware

MEMORIA SEMICONDUTORA & MICROPROCESSADORES 1970: Fairchild fabricou a primeira memória semicondutora 1971: A INTEL desenvolveu o 4004, o primeiro chip a conter todos os componentes de uma CPU 1972: A INTEL fabrica o 8008, o primeiro microprocessador de 8 bits 1974: Nasce o 8080, o primeiro microprocessador de uso geral Final dos anos 70: Aparecem os famosos microprocessadores de 16 bits 1981: HP e a Bell Labs fabricam um microprocessador de 32 bits. 1985: A INTEL fabrica o 80386 (16 bits)

1. 2 Sistemas Centralizados

Sistemas Centralizados Centro de Processamento de Dados Departamento Financeiro Sala de Reuniões Diretoria MAINFRAME, UMA MÁQUINA VON NEUMANN !

Sistemas Centralizados Centro de Processamento de Dados Departamento Financeiro Evolução em Software Sala de Reuniões Diretoria • Multiprogramação ou Multiprocessamento ?

Sistemas Centralizado em Batch Centro de Processamento de Dados Sala de Reuniões Diretoria Departamento Financeiro

Processamento Batch Centro de Processamento de Dados Departamento Pessoal Departamento Financeiro Sala de Reuniões Departamento Comercial Diretoria

Multiprogramação Processamento em Batch Processos P 3 P 2 P 1 Tempo (CPU)

Sistemas Centralizados on Line

Processamento On-Line Centro de Processamento de Dados Departamento Pessoal Departamento Financeiro Sala de Reuniões Departamento Comercial Diretoria

Multiprogramação Processamento On-line Processos Time sharing P 3 P 2 P 1 T (CPU)

Sistemas Centralizados Centro de Processamento de Dados Evolução em Hardware • Multiprocessamento Sala de Reuniões Diretoria Departamento Financeiro

1. 3 Sistemas Distribuídos UM SISTEMA CENTRALIZADO E SEUS TERMINAIS PODEM SER CONSIDERADOS UMA REDE DE COMPUTADORES ?

Surgem os Microcomputadores

Surgem as Redes de Computadores Sistema de Comunicação

Redes de Longa Distância (WAN)

Rede Local (LAN) Topologia em barra

Rede Local (LAN) Topologia em Anel

Rede Local (LAN) Topologia em Estrela

Pilha de protocolos Internet • aplicação: dá suporte a aplicações de rede – FTP, SMTP, HTTP • transporte: transferência de dados host-a-host – TCP, UDP • rede: roteamento de datagramas da origem até o destino – IP, protocolos de roteamento • enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos – PPP, Ethernet • física: bits “no fio” aplicação transporte rede enlace física

Camadas: comunicação lógica Cada camada: • distribuída • as “entidades” implementam as funções das camadas em cada nó • as entidades executam ações, trocam mensagens entre parceiras aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física

Camadas: comunicação física dados aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física dados aplicação transporte rede enlace física

1. 4 Máquina de Estados Finitos

Réception d’un message – hardware

MÁQUINA DE ESTADOS FINITOS estado: conjunto de variáveis que definem um sistema em determinado momento O próximo estado é determinado unicamente pelo próximo evento causador da transição de estado ações executadas ao mudar de estado 1 evento ações estado 2

Exemplo: Protocolo de Enlace Simples Transferência de um CARACTER entre 2 computadores Hipóteses: transmissão simplex em meio IDEAL, (sem erro) e buffer INFINITO no receptor.

Exemplo: Protocolo de Enlace Simples Transferência de um CARACTER entre 2 computadores Hipóteses: transmissão simplex em meio ideal, (sem erro) e buffer infinito no receptor. destino origem mensagem segmento Aplicação física datagrama quadro “A”

Protocolo de Enlace Simples TIPODados: byte; PROCEDIMENTO Envia; VARBuffer: Dados; INICIO REPITA De_Cima (Buffer); Pra_Baixo (Buffer); ATE FALSO; FIM;

Protocolo de Enlace Simples TIPODados = byte; PROCEDIMENTO Recebe; VARBuffer = Dados; INICIO REPITA De_Baixo (Buffer); Pra_Cima (Buffer); ATE FALSO; FIM;

Exemplo de Protocolo: Enlace Simples (transferência de uma MENSAGEM entre 2 computadores) Hipóteses: transmissão simplex em meio ideal, (sem erro) e buffer infinito no receptor.

Exemplo: Protocolo de Enlace Simples Transferência de um MENSAGEM entre 2 computadores Hipóteses: transmissão simplex em meio ideal, (sem erro) e buffer infinito no receptor. mensagem segmento origem destino Aplicação enlace física datagrama quadro 9 “ALO MAMAE ”

Protocolo de Enlace Simples TIPO Dados Quadro = VETOR [0. . max] de byte; = REGISTRO Protocolo de Enlace Simples TIPO Dados Quadro FIM; = VETOR [0. . max] de byte; = REGISTRO Tamanho : byte; Info : Dados; FIM; PROCEDIMENTO Envia; VAR INICIO FIM;

Protocolo de Enlace Simples TIPO Dados Quadro = VETOR [0. . max] de byte; = REGISTRO Tamanho : byte; Info : Dados; FIM; PROCEDIMENTO Envia; VAR Buffer: Dados; Qenv: Quadro; INICIO Recebe. Quadro (Buffer); Qenv. Info : = Buffer; Envia. Quadro (Qenv); FIM;

Protocolo de Enlace Simples TIPODados = Quadro = VETOR [0. . max] de byte; REGISTRO Tamanho : byte; Info : Dados; FIM; PROCEDIMENTO Recebe; VAR Buffer : Dados; Qrev : Quadro; INICIO Recebe. Quadro (Qrec); Buffer : = Qrev. Info; Pra_Cima (Buffer); ; FIM; ; FIM;

Protocolo de Enlace Simples TIPO Dados Quadro = = VETOR [0. . max] de byte; REGISTRO Tamanho : byte; Info : Dados; FIM; PROCEDIMENTO Recebe; VAR Buffer : Dados; Qrev : Quadro; Carater, Tquadro, i : byte; INICIO De_Baixo (Tquadro); Qrev. Tamanho: = Tquadro; ENQUANTO Tquadro > 0 INICIO De_Baixo (Carater); Qrev. Info [ i] : = Carater; i : = i + 1; Tquadro : = Tquadro – 1; FIM Buffer: = Qenv. info; Pra. Cima (Buffer); FIM;

Exemplo: Protocolo de Enlace Simples Transferência de um MENSAGEM entre 2 computadores Em uma LAN Hipóteses: transmissão simplex em meio IDEAL, (sem erro e buffer INFINITO no receptor).

Protocolo de Enlace Simples TIPO Dados = Quadro= VETOR [0. . max] de byte; REGISTRO Destino Tamanho Origem Info FIM; PROCEDIMENTO Recebe; VAR Buffer : Dados; Qrec : Quadro; INICIO REPITA Recebe. Quadro (Qrec); Buffer : = Qrec. Info; Pra. Cima (Buffer); FIM; ATE FALSO; : byte; : Dados;

Exemplo: Protocolo de Enlace Simples Transferência de um MENSAGEM entre 2 computadores Em uma LAN Hipóteses: transmissão simplex em meio IDEAL, (sem perda de quadro nem erro) mas. . . Com buffer FINITO no receptor.

Protocolo de Enlace Simples (IDEALcom buffer Infinito) TIPO Dados Quadro = VETOR [0. . max] de byte; = REGISTRO Destino Tamanho Origem Info FIM; PROCEDIMENTO Envia; VAR Buffer: Dados; Qenv : Quadro; INICIO REPITA De. Cima (Buffer); Qenv. Info: = buffer; Envia. Quadro (Qenv); ATE FALSO; FIM; : byte; : Dados;

Protocolo de Enlace com Controle de Fluxo TIPO Dados Quadro = = Tipo. Evento = VETOR [0. . max] de byte; REGISTRO Destino : byte; Tamanho : byte; Origem : byte; Info : Dados; FIM; ( Chegou. Quadro); PROCEDIMENTO Envia; VAR Buffer : Qenv : Evento: INICIO REPITA ATE FALSO; FIM; Dados; Quadro; Tipo. Evento;

Protocolo de Enlace com Controle de Fluxo PROCEDIMENTO Recebe; VAR Buffer : Dados; Qrec, Qconf : Quadro; Evento : Tipo. Evento; INICIO REPITA Recebe. Quadro (Qrec); Buffer: = Qrec. Info; Pra_Cima (Buffer); Envia. Quadro (Qconf); ATE FALSO; FIM;

Exemplo: Protocolo de Enlace Simples Transferência de um MENSAGEM entre 2 computadores Em uma LAN Hipóteses: transmissão simplex em meio REAL (passível perda de quadro) e buffer INFINITO no receptor.

Protocolo com Controle de Fluxo e Temporização PROCEDIMENTO Recebe; VAR Buffer : Dados; Qrec, Qconf : Quadro; Evento : Tipo. Evento; INICIO REPITA Espera (Evento); SE Evento = Chegou. Quadro ENTAO INICIO De_Baixo (Qrec); Buffer: =Qrec. Info; Pra_Cima ((Buffer); Pra_Baixo ( Qconf); FIM; ATE FALSO; FIM;

Alan Mathison Turing 84

Alan Turing 23 de Junho de 1912 – 7 de Junho de 1954 • Contribuições: – Máquina de Turing e a tese de Church-Turing – Colossus (Enigma) – Teste de Turing 85

Infância • Nasceu em Londres em 1912. • O pai era servidor público nas Índias. • Em 3 semanas aprendeu a ler sozinho com um livro chamado “Reading without tears”. • Diziam que era gago. • Durante sua infância a família morava na França para pagar menos impostos. • Em 1922 (10 anos) ele ganhou um livro chamado “Natural Wonders Every Child Should Know”, e segundo Turing esse livro abriu sua mente para a ciência. 86

Alan Turing • Em outubro de 1931, ganhou uma bolsa de estudo King’s College, em Cambridge – Estudou Matemática – Conversava muito pouco – Compreensão da sexualidade – Descobriu que um de seus colegas partilhava de sua inclinação sexual • Inicio da década de 30, Cambridge era uma das mais importantes instituições do mundo em matemática e ciência 87

Alan Turing • Em 1933 depois que Hitler tomou o poder na Alemanha, muitos exilados alemães passaram por Cambridge fazendo conferencia e Turing pode ouvir – Schrodinger – falando sobre mecânica quântica – Max Born – ministrar um curso sobre mecânica quântica • 1935 foi nomeado membro do King’s College 88

Máquina de Turing • São dispositivos extremamente básicos que manipulam símbolos • Simples, porém podem ser adaptadas para simular a lógica de qualquer computador • Descritas pela 1ª vez em 1936 por Turing no artigo "On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem" ("problema de decidibilidade") • Introduziu conceitos computacionais como memória, programa armazenado na memória e linguagem de programação. 89

Máquina de Turing – Descrição Informal • Uma fita, que é divida em células, uma adjacente à outra. Cada célula contém um símbolo de algum alfabeto finito. • Um cabeçote, que pode ler e escrever símbolos na fita e mover -se para a esquerda e para a direita. • Um registrador de estados, que armazena o estado da máquina de Turing. (O número de estados diferentes é sempre finito e há um estado especial denominado estado inicial com o qual o registrador de estado é iniciado) 90

Máquina de Turing – Descrição Informal • Uma tabela de ação (ou função de transição) que diz à máquina que símbolo escrever, como mover o cabeçote (para esquerda, para direita ou ficar parado) e qual será seu novo estado, dados o símbolo que ele acabou de ler na fita e o estado em que se encontra. Se não houver nenhuma entrada na tabela para a combinação atual de símbolo e estado então a máquina pára. 91

Máquina de Turing • Exemplos: 93

Máquina de Turing – Variações • Fitas Finitas e Infinitas de um lado ou em ambos os lados • Fitas Bi-dimensionais • Movimento arbitrário do cabeçote • Número arbitrário de cabeçotes • Alfabeto finito arbitrário • Maquinas de Turing não-determinísticas 94

Doutorado em Princeton • Foi orientado por Alonzo Church e obteve o título de PHD. • Concluiu que o que podia ser calculado pelo método de Church, também podia ser calculado por uma máquina de Turing. • Após 1933, muitos alemães foram para os EUA. Em Princeton estava Einstein e outros cientistas famosos. • Lá encontrou um ambiente menos formal, jogou hóquei e aprendeu a dirigir • Von Neumann reconheceu seu trabalho e usou idéias de Turing na construção do EDVAC 95

Enigma • Era uma máquina de codificar usada pelo comando alemão para enviar ordens codificadas para sua forca no campo • A operação era simples, seu sistema de codificação, no entanto, parecia ser indecifrável • Consistia de duas máquinas: – Máquina emissora – era fixada uma chave, e a mensagem não codificada era introduzida por datilografia. • A mensagem era imediatamente embaralhada por três (ou mais) rotores elétricos que eram ajustado de acordo com a chave, e em seguida transmitida. – Máquina receptora – estava fixada a mesma chave, e a mensagem podia então ser desembaralhada e impressa sob forma decodificada 96

Enigma • Os rotores, que giravam de maneira independente, permitiam bilhões de permutações de modo que qualquer inimigo que detectasse a transmissão embaralhada via-se diante de uma tarefa aparentemente impossível se quisesse decifrar o código • Milhões de mensagens eram enviadas a cada 24 horas, e a chave era alterada três vezes por dia • Graças a Lewinski, os dirigentes do serviço de informação de Bletchley sabiam como a maquina funcionava – Mas, não era o bastante – Depois que cada letra de uma mensagem era teclada, os rotores giravam mais uma vez – Assim, mesmo que a mesma letra fosse teclada varias vezes em seguida, isso iria produzir letra diferentes na versão embaralhada • Para decifrar o código, era preciso conhecer a chave em que a 97 maquina fora fixada: somente isso determinava a posição inicial dos rotores

Máquina Enigma 98

Colossus • Em 1943 – começou a operar o COLOSSUS • Colossus era a máquina de decodificar de Turing ( as dificuldades eram tais que foram preciso construir dez versões dela em Bletchley) – Computador inglês – Segunda Guerra Mundial. – Símbolos perfurados em fitas de papel • O Colossus tinha como objetivo fazer a criptoanálise de códigos alemães ultra-secretos produzidos pela máquina de codificação Enigmas 99

Bombe • A Bombe era uma máquina eletro-mecânica com vários conjuntos de rotores idênticos aos da Enigma. Cripto-analista da marinha Norte-Americana com uma Bombe (cerca de 1944). Imag. The Mariners's Museum 100

Bombe • Ao contrário da Enigma, os rotores da Bombe rodavam automaticamente para percorrer todas as configurações possíveis. • Quando encontrasse uma configuração que tornasse compatível a palavra adivinhada e o texto cifrado, a máquina parava e o cripto-analista iria testar aquela configuração com o resto do texto cifrado numa Enigma; – se o resultado não fosse correto, reinicializava a bombe para continuar a procura. 101

Final da Guerra • Em novembro de 1942, retornou aos EUA para trabalhar com a marinha sobre o ENIGMA naval e ajudou a Bell Labs no desenvolvimento de dispositivos de conversa seguros. • Após seu retorno começou a aprender sozinho eletrônica, no intuito de desenvolver uma maquina portátil que permita comunicação segura por voz, denominada Delilah. Ela não podia ser usada em transmissões por rádio de longas distâncias, e foi terminada muito tarde para seu uso na guerra, apesar de seu uso ser demonstrado através da transmissão de um discurso de Winston Churchill. • Em 1945, foi condecorado com o Order of the British Empire pelo seus esforços na guerra. 102

Após a Guerra • Trabalhou no desenvolvimento do ACE (Automatic Computing Engine), mas abandonou o projeto antes da conclusão. • Na Universidade de Manchester coordenou o projeto do MARK I, onde criou um programa para jogar xadrez. • Criou o Teste de Turing. • De 1952 até a sua morte, trabalhou com matemática biológica (morfogênese). 103

Teste de Turing • O Teste de Turing é baseado no jogo da imitação e envolve um computador, um interrogador humano e um entrevistado humano. • O interrogador deve tentar descobrir, por meio de perguntas qual dos participantes é o computador. • Toda comunicação é feita através de um terminal de computador. 104

Teste de Turing 105

Teste de Turing • O interrogador pode perguntar qualquer tipo de pergunta. • O computador pode adotar qualquer estratégia para enganar o entrevistador, como por exemplo: – Mentir. Ex: Você é um computador? Não. – Se o entrevistador pedir o resultado da multiplicação de dois números grandes, o computador pode demorar para responder errado. • O humano entrevistado não deve tentar enganar o entrevistador e deve tentar ajudar o entrevistador. 106

Teste de Turing • Turing defendia a idéia de que se várias pessoas diferentes atuam como entrevistador e entrevistado e um número suficiente de entrevistadores não for capaz de descobrir qual é o computador, então o computador pensa. • Desde 1991 existe o concurso de Loebner para premiar anualmente o melhor chatterbot. • O chatterbot mais famoso é o Eliza. Que tinha apenas 204 linhas de código. • Existe uma aposta de 10 mil dólares, registrada no “Long Bets Foundation”, entre Mitch Kapor e Ray Kurzweil. Kapor acha que o Teste de Turing vai ser superado até 2029. 107

Escândalos • Julgamento • Homossexual declarado - foi humilhado em público • Impedido de acompanhar estudos sobre computadores • Teve que passar por terapias à base de hormônios • Deprimido, em 7 de Junho de 1954, com apenas 41 anos, cometeu suicídio comendo uma maçã envenenada. 108

Pós Morte • Alan Turing aparece em diversos livros escritos • Conta com 3 biografias, a definitiva sendo considerada a escrita por Andrew Hodges, intitulada Alan Turing: The Enigma (1983) • Turing Award, dado pela Association for Computing Machinery, desde 1966. É considerado o “prêmio Nobel da computação”. • Seu nome foi dado uma rua que faz parte do anel central de Manchester e a um instituto de pesquisa em matemática da universidade de Manchester, entre outros. • Duas estátuas foram dedicadas a ele. • Diversos eventos anuais e comemorativos. • Complementações de outros autores sobre seu trabalho. . . (Computers are not Turing machines, 109 super-Turing computation)