A arquitetura de von Neumann

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 nesta reluzente e moderníssima máquina de von Neumann na qual está lendo este texto) 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.