Von Neumann e os Computadores Modernos

Se você já se perguntou como é organizado e gerenciado um computador, este artigo é para você. Venha conhecer um dos mais importantes contribuintes da computação: von Neumann.

Se você já se perguntou como é organizado e gerenciado um computador, este artigo é para você.
 Von Neumann e os Computadores Modernos
Venha embarcar nessa história da computação e um de seus contribuintes mais importantes: von Neumann.

Quem foi von Neumann?

John von Neumann foi um matemático húngaro de origem judaica naturalizado nos EUA. Foi conhecido por criar alguns conceitos como: A Álgebra abeliana de von Neumann, a Álgebra de von Neumann, a Arquitetura de von Neumann e o Universo de von Neumann.

Ele nasceu em 28 de Dezembro de 1903 em Budapeste e morreu em 8 de Fevereiro de 1957 em Washington DC. Foi membro do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, do qual também faziam parte: Albert Einstein e Erwin Panofsky. Participou do projeto Manhattan e ajudou a desenvolver as primeiras bombas atômicas. Foi um dos construtores do ENIAC (Primeiro computador de uso geral da história). Faleceu aos 53 anos de um tumor cerebral.

Von Neumann e a computação

Ele elaborou uma forma de arquitetura para computadores bem simples e prática. Ela requisitava:

1) Uma memória
2) Uma unidade lógico aritmética (ALU)
3) Uma unidade de processamento (CPU)
4) Uma unidade de controle (CU)

Tudo isso fica alinhado na CPU fornecendo um sistema sem erros de desempenho e muito mais rápido que as opções da época.

Sua arquitetura vem sendo explorada até hoje com a implementação de melhores componentes, desde relés eletromagnéticos, tubos de vácuo, e posteriormente os transistores (Que merecem um artigo só para eles).
 Von Neumann e os Computadores Modernos
Diagrama da arquitetura
Todos esse elementos ficam conectados em uma fiação central chamada barramento ou via, que no começo tinha um fio ou trilha apenas, mas hoje temos barramentos com 64 fios, daí vem o termo 64-bits, já que esse barramento pode carregar 64 bits de informação ao mesmo tempo. Temos até barramentos de 128 bits, mas são destinados aos computadores super potentes e de altíssimo desempenho, os super computadores.

O barramento central também liga o processador aos outros componentes que vamos apontar agora.

A memória RAM

A Random Acess Memory (Memória de Acesso Aleatório), ou RAM é a memória principal do computador, ou seja, é mais rápida e é onde o processador busca os dados e instruções dos programas sendo executados.
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Placas de memória RAM, repare que ela é dividida em blocos, estes blocos são como partições da memória.

O HD ou SSD

O HD (Hard Disk), ou SSD (Solid-State Drive) mais atualmente, é onde ficam armazenados os dados e comandos dos programas do computador. É onde também ficam os dados do sistema operacional e seus programas.

Por ser maior e capaz de armazenar mais dados, o HD é ideal para armazenar informações por um longo período de tempo.

Por outro lado, ele é bem mais lento do que a RAM e não é viável utilizar o mesmo para trocar dados com a CPU diretamente, exceto em casos de emergência (nesse caso usamos uma parte do HD chamada SWAP).
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Esta imagem é um disco rígido de 2,5 polegadas. Toshiba MK4313MAT - 4,3 GB.

I/O

Os instrumentos de input e output (ou simplesmente I/O), são os meios do computador se comunicar com o usuário, são eles: Teclado, mouse, webcam, microfone, headset, e até comandos visuais como os utilizados pelo falecido Stephen Hawking.

Não dá para listar todos os meios aqui, mas dá pra ter uma ideia do que são esses componentes.

A estrutura geral que comporta todos esses componentes, é, de maneira geral bem simples, mas como não achei nenhuma imagem que facilitasse, eu vou tentar fazer com texto aqui embaixo.
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Demonstração de Barramento
Esse aqui em cima é o barramento
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Modelo de organização de processos

Essa imagem aqui em cima mostra como o processador se organiza por dentro, e mostra o barramento central (Bus), e também mostra os outros componentes.

Note que existe um termo para as memórias no computador. Estes termos determinam a hierarquia das memórias no barramento, ou seja, a RAM, é a primária já que tem mais prioridade de acesso pela CPU.

A CPU

A CPU ou Unidade Central de Processamento, é onde a mágica acontece. Aqui são processados e computados todos os dados e instruções do computador.

Ela é dividida em algumas partes:
  • ALU (Unidade Lógico Aritmética): é onde são calculadas todas contas que o computador é instruído a fazer.
  • Registradores: eles são a principal memória interna da CPU, aqui são brevemente armazenados variáveis, e uma instrução que diz o que fazer com elas.
  • Cache: posteriormente, foi introduzida à CPU a memória cache, essa é uma memória ultra rápida que serve para guardar um numero maior de dados que podem ser computados. Ela foi criada para driblar um problema recorrente na arquitetura.
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Processador de Computador NEC SX-8

O problema

Como nem tudo são flores, sempre tem algo que vai dar errado. Dessa vez foi um problema que era nativo da arquitetura.

Como você que é mais atento deve ter reparado, os dados circulam pelo barramento pelo mesmo caminho para ir e voltar. Isso faz com que o computador fique mais lento, já que para a RAM mandar novos dados para a CPU, ela tem que esperar até que outros dados voltem do barramento.

Em um exemplo prático, seria como se em um bairro tivesse uma rua que é mão dupla mas só cabe um único carro.

Várias pesquisas tentaram resolver esse problema de uma vez por todas, algumas bem inteligentes por sinal.

Uma proposta, é fazer um barramento segmentado para cada componente, assim:
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Demonstração de Barramento
A outra era fazer um barramento de ida e outro de volta, assim:
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Demonstração de Barramento
Ao primeiro ver, parecem propostas interessantes, mas tem um problema, todos os dois são projetos muito caros e que não tornariam os produtos comerciais.

Se você conseguir desenvolver uma forma de barramento que seja barata e eficiente, pode ir lá buscar seu Nobel, pois esse ramo vem até hoje procurando uma forma de substituir essa estrutura atual.

O projeto e a contribuição de von Neumann para os computadores, pode ser comparados ao de Einstein para a física. Suas ideias e projetos, são até hoje referência para o desenvolvimento de sistemas modernos e mais eficientes, e o mais importante, mais baratos e acessíveis.

Se você se interessou por essa área lendo meus artigos, sugiro que procure aprender mais sobre a arquitetura dos computadores e suas peculiaridades, tenho certeza que não irá se arrepender, afinal, conhecimento nunca é demais.

Fontes: 
Material de estudo sobre Arquitetura de Computadores da PUC-MG
https://www.embarcados.com.br

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Queimando Neurônios - Impulsionando Sinapses: Von Neumann e os Computadores Modernos
Von Neumann e os Computadores Modernos
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