Primeiro computador

Os primeiros computadores da década de 1940 possuíam somente dois níveis de linguagem de programação: o nível da linguagem de máquina, no qual toda a programação era feita, e o nível da lógica digital, onde os programas eram efetivamente executados. Com Wilkes, em 1951, surgiu a ideía de se projetar um computador a três níveis, a fim de se simplificar o hardware. Esta máquina tinha um programa denominado interpretador armazenado permanentemente, cuja função era executar os programas em linguagem de máquina. O hardware assim poderia ser simplificado: teria apenas que executar um pequeno conjunto de microinstruções armazenadas, ao invés de todo o programa em linguagem de máquina, o que exigia menos circuitos eletrônicos. A partir daí começam a evoluir as linguagens e as arquiteturas das máquinas, impulsionadas, principalmente, pelo aparecimento de um novo conceito na História da Computação: os Sistemas Operacionais.

Da segunda geração de computadores aos dias de hoje

A segunda geração (1956 - 1963) foi impulsionada pela invenção do transistor (1948) e em 1956 já se produziam computadores com esta tecnologia. Apareceram também os modernos dispositivos, tais como as impressoras, as fitas magnéticas, os discos para armazenamento, etc. Os computadores passaram a ter um desenvolvimento rápido, impulsionados principalmente por dois fatores essenciais: os sistemas operacionais e as linguagens de programação.Os circuitos integrados propiciaram um novo avanço e com eles surgiram os computadores de terceira geração (1964 - 1970). As tecnologias LSI, VLSI e ULSI abrigam milhões de componentes eletrônicos em um pequeno espaço ou chip, iniciando a quarta geração, que vem até os dias de hoje. Os atuais avanços em pesquisa e o projeto de novas tecnologias para os computadores estão possibilitando o surgimento da quinta geração. Dois avanços que configuram um divisor de águas são o processamento paralelo, que quebrou o paradigma de von Neumann, e a tecnologia dos supercondutores.

Arquiteturas de computadores e sistemas operacionais

O termo arquitetura de computador vem da possibilidade de se visualizar uma máquina como um conjunto hierárquico de níveis que permite entender como os computadores estão organizados. Os primeiros computadores digitais por exemplo somente possuiam dois níveis. O primeiro é chamado o nível da lógica digital, formado no início por válvulas e depois por transistores, circuitos integrados, etc. O segundo é chamado de nível 1, também chamado de nível de microprograma, que é o nível da linguagem da máquina, onde toda a programação era feita, através de zeros e uns, e que posteriormente seria o responsável por interpretar as instruções do nível 2.

Com Maurice Wilkes em 1951 surgiu outro nível, onde as instruções eram escritas de um modo mais conveniente para o entendimento humano: a técnica consistia em substituir cada instrução desse novo nível por um conjunto de instruções do nível anterior (nível da máquina) ou examinar uma instrução de cada vez e executar a sequência de instruções equivalentes do nível da máquina. Denominam-se estes procedimentos por tradução e interpretação. Isto simplificou o hardware que agora somente tinha um conjunto mínimo de instruções e portanto menos circuitos eram necessários.

A partir daí a evolução do hardware avança juntamente com as novas descobertas científicas: quase na mesma época do aparecimento dos transistores, por exemplo, surgiu o conceito de barramento de dados, que acelerou a velocidade dos computadores. Ao mesmo tempo apareceram os grandes sistemas operacionais, (simplificadamente, um conjunto de programas mantidos no computador durante todo o tempo, liberando o programador de tarefas relacionadas diretamente com o funcionamento da máquina), como o DOS e OS, da IBM. Estes evoluíram possibilitando novos conceitos que melhoraram a performance das máquinas, como por exemplo os sistemas de multiprogramação, isto é, a possibilidade de vários programas serem executados em paralelo em uma mesma da máquina. Se um destes programas tiver origem em um terminal remoto, tal sistema será chamado de tempo compartilhado. Um importante marco que possibilitou esses avanços foi a introdução de processadores de entrada e saída, também chamados de canais. Isso motivou o aparecimento dos conceitos de concorrência, comunicação e sincronização: uma vez que dois processadores estão operando simultaneamente, surge a necessidade de prover mecanismos para sincronizá-los e estabelecer um canal de comunicação entre eles.

É a era das arquiteturas mainframes: o suporte às tarefas computacionais e o desenvolvimento das aplicações eram feitos numa área central, denominada centro de computação. Terminais conectados diretamente à máquina eram utilizados somente por pessoas relacionadas às aplicações disponíveis.

Nos anos 70 surgiram os supercomputadores, máquinas que inovaram na arquitetura. Até o momento, o crescimento da eficiência dos computadores estava limitado pela tecnologia, mais especificamente pelo processamento escalar que exigia que o processador central de um computador terminasse uma tarefa para começar a realizar outra, produzindo o gargalo de von Neumann. Um avanço significativo veio com o supercomputador Cray-1, da Cray Research, em 1971. Foi a primeira máquina pipeline, cujo processador executava uma instrução dividindo-a em partes, como na linha de montagem de um carro. Enquanto a segunda parte de uma instrução estava sendo processada, a primeira parte de outra instrução começava a ser trabalhada. A evolução seguinte foi a denominada máquina vetorial, ou máquina SIMD (single instruction multiple data) cujo processador trabalhava com mais de um conjunto de dados ao mesmo tempo. Um pouco depois surgiu a arquitetura MIMD (multiple instructions multiple data) e apareceram máquinas com múltiplos processadores como a Connection Machine, com 65.536 processadores.

Há primariamente três limites para a performance dos supercomputadores: a velocidade do processador, o gasto de tempo (o termo técnico, amplamente utilizado na Computação, é overhead), que envolve fazer um grande número de processadores trabalharem juntos em uma única tarefa, e a velocidade de entrada e saída entre os processadores e entre os processadores e a memória. A velocidade dos processadores aumenta a cada dia, mas a um alto custo de pesquisa e desenvolvimento, e a realidade é que se está alcançando os limites dos processadores baseados em silício. Seymour Cray demonstrou que a tecnologia de gálio arsênico poderia ser a solução, mas é muito difícil trabalhar com ele e poucas indústrias estariam aptas a desenvolver processadores desse tipo. A solução, como se falará mais abaixo caminha para o uso de um maior número de processadores, dando maior velocidade ao computador pelo uso desses processadores através do processamento paralelo.

Com a tecnologia VLSI (quarta geração de computadores) surgiram os minicomputadores, o que possibilitou muitas empresas e universidades informatizarem seus departamentos. Os grandes usuários interligavam os minicomputadores para enviar tarefas aos seus mainframes. A arquitetura principal continuava no entanto estabelecida no centro de computação. Do minicomputador para o computador pessoal foi somente um passo, e no início da década de 1980 apareceram os primeiros PC's. Ainda nos anos de 1980 apareceram as arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Code), com a promessa de ganho de desempenho pela eliminação do conceito de microprograma. De qualquer maneira estas máquinas ainda são máquinas de von Neumann tradicionais, com todas as suas limitações, a maior delas a velocidade dos circuitos que não pode crescer indefinidamente.

As tentativas de quebrar o gargalo de von Neumann e o início da descentralização dos sistemas, com o surgimento das arquiteturas de rede que possibilitaram a universalização do uso da tecnologia da Computação, fizeram emergir e desenvolver as arquiteturas paralelas de hardware.

A idéia de incluir paralelismo nos computadores é tão antiga quanto os próprios computadores. Trabalhos desenvolvidos por von Neumann na década de 1940 já discutiam a possibilidade de algoritmos paralelos para a solução de equações diferenciais. O sistema Model V, desenvolvido entre 1944 e 1947 por G. R. Stibitz e S. B. Willians nos laboratórios da Bell Telephone é um exemplo típico de máquina paralela. Constituído por dois processadores e de três posições de entrada e saída, esse multiprocessador primitivo tanto era capaz de executar dois programas distintos como era possível que os dois processadores ficassem alocados para um mesmo programa. Posteriormente foi desenvolvido o Illiac IV, na década de 1960, constituído por 64 processadores. Como foi citado, a partir da década de 1970 começaram a ser produzidos supercomputadores baseados em arquiteturas paralelas.

Juntamente com as arquiteturas evoluiram os sistemas operacionais e a evolução das linhas de processadores de uma empresa como a Intel servem para refletir a evolução da indústria dos computadores em um determinado período. Como destaque podem-se citar o MS-DOS, o OS/2 e o UNIX. Especialmente este último, que surgiu como fruto dos trabalhos de um engenheiro da Bell Labs, Ken Thompson, foi popularizado nos meios universitários que usavam computadores PDP-11/45, durante a década de 1970. A palavra UNIX espalhou-se rapidamente por todo o mundo e no início de 1980 este sistema operacional estava disponível em mais máquinas do que qualquer outro sistema operacional da época, continuando hoje ainda a ser amplamente utilizado.

A mais nova arquitetura, que determinou a mais recente evolução da Computação foi o resultado da rápida convergência das tecnologias de comunicações de dados, telecomunicações e a própria informática. É a Internet, ou modelo computacional baseado em uma rede, que teve sua origem nos anos da década de 1970, como um esforço do Departamento de Defesa dos EUA para conectar a sua rede experimental, chamada ARPAnet, a várias outras redes de rádio e satélites. Espalhou-se logo em seguida nos meios acadêmicos e está bastante popularizada.