Arquitetura de Computadores

Módulo 4 – Arquitetura de Microprocessadores (24 Horas)

2014-15Curso Profissional de Técnico de Gestão e Programação de Sistemas Informáticos

Prof. Luis Folgado Ferreirahttp://lanapt.com

Índice

• Apresentação.

• 1. Principais componentes de um microprocessador.

• 2. Evolução das arquiteturas de microprocessadores.

• 3. Arquitetura de um sistema tipo.

• 4. Tipos de dados.

• 5. Organização de memória.

• 6. Tipos de endereçamento.

• 7. Ligação com o exterior.

MicroprocessadorConceito

• O microprocessador, popularmente chamadode processador é um circuito integrado querealiza as funções de cálculo e as decisão deum computador.

• Todos os computadores e equipamentos eletrónicos baseiam-se nele paraexecutar suas funções.

Microprocessadores

Exemplo da Arquitetura interna de um microprocessador dedicado para processamento de imagens de ressonância magnética.

A fotografia foi aumentada 600 vezes, sob luz ultravioleta para se conseguir ver os detalhes.

Microprocessadores

Arquitetura

Vista inferior de um AMD Athlon XP 1800+ núcleo Palomino, um microprocessador moderno.

Microprocessadores

Arquitetura

Vista de um Intel Core i7 de 4ª geração.

MicroprocessadoresArquitetura

• O microprocessador moderno é um circuito integradoformado por uma camada de silício, trabalhada demodo a formar um cristal de extrema pureza, laminadaaté uma espessura mínima com grande precisão,depois cuidadosamente mascarada por um processofotográfico e exposta a altas temperaturas em fornosque contêm misturas gasosas de impurezas.

• Este processo é repetido tantas vezes quantonecessário à formação da microarquitectura docomponente.

Microprocessadores

Vídeo

http://youtu.be/d9SWNLZvA8g

Arquitetura 22mm

Fotomicrografia de um chip equivalente ao Pentium IV aumentada 2400 vezes

Microprocessadores

• Responsável pela execução das instruções numsistema, o microprocessador, escolhido entre osdisponíveis no mercado, determina, em certa medida acapacidade de processamento do computador etambém o conjunto primário de instruções que elecompreende.

• Mas o desempenho global depende de outros fatorestambém.

• O sistema operativo é construído sobre este conjunto.

O CPU

As unidades de um microprocessador

• A ALU(Aritmetic and Logical Unit), unidaderesponsável pelos cálculos aritméticos elógicos;

• Os registos são parte integrante domicroprocessador na família x86, porexemplo.(memória central);

• Unidade de Controlo - UC

Estrutura básica de um microprocessador

Vídeos e referências

• https://www.youtube.com/watch?v=cNN_tTXABUA

Evolução das arquiteturas de

microprocessadores

MicroprocessadoresPré-x86 4004 • 4040 • 8008 • 8080 • 8085

Microprocessadores

• Embora seja a essência do computador, o microprocessador diferente do micro controlador, está longe de ser um computador completo. Para que possa interagir com o utilizador precisa de: memória, dispositivos de entrada e saída, um clock, controladores e conversores de sinais entre outros.

• Cada um desses circuitos de apoio interage de modo peculiar com os programas e, dessa forma, ajuda a moldar o funcionamento do computador.

História

• O primeiro microprocessador comercial foi inventado pela Intel em 1971 para atender a um fabricante de calculadoras japonês que precisava de um circuito integrado especial.

• A Intel projetou o i4004 que era um circuito integrado programável que trabalhava com registos de 4 bits, 46 instruções, clock de 740Khz e possuía cerca de 2300 transístores.

• O processador Intel 4004 é uma Unidade Central de Processamento com 4-bits. Fabricado pela Intel Corporation em 1971, foi o primeiro microprocessador em um chip simples, assim como o primeiro disponível comercialmente.

• Embora projetado originalmente para ser um componente de calculadoras, o 4004 logo encontrou muitos usos. A Intel iniciou um processo que logo fez alguns outros fabricantes de chips a embarcar em projetos para desenvolverem firmemente os microprocessadores mais capazes, o que gerou a tendência que criou as indústrias multimilionárias dos microprocessadores e dos microcomputadores catuais.

História

• Percebendo a utilidade desse invento a Intel prosseguiu com o desenvolvimento de novos microprocessadores: 8008 (o primeiro de 8 bits) e a seguir o 8080 e o microprocessador 8085.

• O 8080 foi um grande sucesso e tornou-se a base para os primeiros microcomputadores pessoais na década de 1970 graças ao sistema operacional CP/M.

CP/M

História

• Da Intel saíram alguns funcionários que fundaram a Zilog, que viria a lançar o microprocessador Z80, com instruções compatíveis com o 8080 (embora muito mais poderoso que este) e também de grande sucesso.

A Motorola possuía o 68000 e a MOS Technology o 6502.

• Todos esses microprocessadores de 8 bits foram usados em muitos computadores pessoais (Bob Sinclair, Apple, TRS, Commodore, etc.).

História

• Em 1981 a IBM (International Business Machines) decidiu lançar-se no mercado de computadores pessoais. O seu IBM-PC utilizou um dos primeiros microprocessadores de 16 bits, o 8088 (derivado do seu irmão 8086 lançado em 1978) que viria a ser o avô dos computadores catuais.

• A Intel foi lançando melhoramentos na sua linha 80X86: 8086, 8088, 80186, 80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium M, Pentium D e Pentium Dual Core.

História• Como grande concorrente da Intel, a AMD (Advanced Micro

Devices) aparece inicialmente como fabricante demicroprocessadores da linha x86 alternativa mas a partir de umcerto momento deixou de correr atrás da Intel e partiu para odesenvolvimento de sua própria linha de microprocessadores: K6,Athlon, Duron, Turion, Sempron, etc.

• Paralelamente à disputa entre Intel e AMD, a IBM possuía a linhaPowerPC utilizada principalmente pelos microcomputadores daApple

História

• A evolução tecnológica envolvida é surpreendentemente grande, de microprocessadores que trabalhavam com clock de dezenas de kHz e que podiam processar alguns milhares de instruções por

segundo, atingiu-se clocks na casa dos 4GHz e poder de processamento de dezenas de bilhões de instruções

por segundo.

• A complexidade também cresceu: de alguns milharesde transístores para centenas de milhões detransístores numa mesma pastilha.

Ficha de Trabalho 1

• Realiza uma apresentação em PowerPoint que represente a evolução dos

microprocessadores ao longo da sua história.

Balanço da Matéria

• Apresentação.

• 1. Principais componentes de um microprocessador.

• 2. Evolução das arquiteturas de microprocessadores.

• 3. Arquitetura de um sistema tipo.

• 4. Tipos de dados.

• 5. Organização de memória.

• 6. Tipos de endereçamento.

• 7. Ligação com o exterior.

Microprocessadores

• O processador é composto por alguns componentes, cada um tendo uma função específica no processamento dos programas:

– Unidade Lógica e Aritmética(ULA);

– Unidade de Controle(UC);

– Registos;

– Memory Management Unit;

– Unidade de ponto flutuante.

Microprocessadores

• A Unidade Aritmética e Lógica (UAL) é aresponsável por executar efetivamente asinstruções dos programas, como instruçõeslógicas e matemáticas.

• Unidade de controle (UC) é responsável pelatarefa de controlo das ações a seremrealizadas pelo computador, comandandotodos os outros componentes.

Microprocessadores

• Os registos são pequenas memórias velozesque armazenam comandos ou valores que sãoutilizados no controle e processamento decada instrução.

• Os registos mais importantes são:

– Contador de Programa (PC) – Sinaliza para apróxima instrução a ser executada;

– Registo de Instrução (IR) – Regista a execução dainstrução;

Microprocessadores

• Unidade de ponto flutuante nosprocessadores atuais são implementadasunidades de cálculo de números reais.

• Tais unidades são mais complexas que UALs etrabalham com operandos maiores, comtamanhos típicos variando entre 64 e 128 bits.

Arquiteturas

• Existem duas principais arquiteturas usadas em processadores:

1. A arquitetura de Von Newmann;

2. A arquitetura de Harvard.

Arquitetura de Von Newmann

• Esta arquitetura caracteriza-se por apresentarum barramento externo compartilhado entredados e endereços. Embora apresente baixocusto, esta arquitetura apresenta desempenholimitado pelo gargalo do barramento.

Arquitetura de Von Newmann

Arquitetura de Harvard

• A Arquitetura de Harvard baseia-se em um conceito mais recente que a de Von-Neumann, tendo vindo da necessidade de por o microcontrolador para trabalhar mais rápido.

Arquitetura de Harvard

• É uma arquitetura de computador que sedistingue das outras por possuir duas memóriasdiferentes e independentes em termos debarramento e ligação ao processador.

• Utilizada nos microcontroladores PIC (PeripheralInterface Controller), tem como principalcaracterística aceder à memória de dadosseparadamente da memória de programa.

Arquitetura de Harvard

A principal vantagem dessa arquitetura é que a leitura de instruções e de algunstipos de operandos pode ser feita ao mesmo tempo em que a execução dasinstruções.

Isso significa que o sistema fica todo o tempo executando instruções, o queacarreta um significativo ganho de velocidade.

Tipos de Microprocessadores

• Microprocessadores PC— São utilizados noscomputadores pessoais, onde são chamadasde Unidade Central de Processamento (CPU),workstations e mainframes. Podem serprogramados para executar as mais variadastarefas.

Tipos de Microprocessadores

Um micro controlador, um exemplo de microprocessador.

Tipos de Microprocessadores

• Processadores Digitais de Sinal (DSP do inglêsDigital Signal Processor) — especializados emprocessamento digital de sinal usados paraprocessar sinais de áudio, vídeo, etc., quer emtempo real quer em off-line. Estão presentes,por exemplo, em aparelhos de CD, DVD etelevisores digitais. Em geral, realizam sempreuma mesma tarefas simples.

Tipos de Microprocessadores

• Micro controladores — Processadoresrelativamente flexíveis, de relativo baixocusto, que podem ser utilizados em projetosde pequeno tamanho.

• Podem trazer facilidades como conversoresA/D embutidos, ou um conjunto de instruçõespróprias para comunicação digital através dealgum protocolo específico.

Tipos de Microprocessadores

• GPU — ou Unidade de Processamento Gráfico), é um microprocessador especializado em processar gráficos. São utilizadas em placas de vídeo para fazer computação gráfica.

Tipos de Microprocessadores

GPU

• Módulo 4 - Arquitectura de Microprocessadores

• A ligação dos microprocessadores com o exterior.

Ligação com o exterior

• Um processador também precisa ser capaz de comunicar-se com o mundo exterior.

• Neste mundo exterior está o utilizador que trabalha no PC.

Ligação com exterior

• É preciso ler dados provenientes do teclado, mouse e outros dispositivos de entrada, bem como transferir dados para o vídeo, impressora e outros dispositivos de saída.

• Essas operações são chamadas de “entrada e saída”, ou E/S (em inglês, Input/Output, ou I/O).

Ligação com o exterior

• Portanto, além de processar dados, um processador deve ser capaz de realizar operações de entrada e saída, bem como realizar leituras e gravações na memória.

Ligação com o Exterior

• A ligação entre o microprocessador por um lado e a memória e os circuitos periféricos por outro é efectuada através de três conjuntos distintos de ligações eléctricas, denominados "bus" e que são:

• O bus de dados, que permite a transferência de dados entre o microprocessador e quer a memória quer os periféricos;

O bus de endereço

• O bus de endereço que permite ao microprocessador seleccionar a posição de memória sobre a qual quer efectuar uma operação de escrita ou leitura;

O bus de comando

• O bus de comando que permite ao microprocessador escolher entre a memória e os periféricos para operações de escrita ou leitura assim como o tipo de operação a realizar.

• O bus de comando permite ainda aos periféricos interromperem a actividade normal do microprocessador de modo a que este execute as operações necessárias à satisfação do periférico que emitiu o sinal de interrupção.

O bus de Dados• Nos microprocessadores mais simples o bus

de dados é constituído por quatro ou oito linhas distintas dizendo-se por isso que é um microprocessador de quatro ou oito bits, isto porque cada linha pode transportar um sinal eléctrico que só pode ter um de dois valores de tensão distintos a que correspondem os valores numéricos em numeração binária 0 e 1.

O relógio

• O microprocessador necessita também de um sinal periódico chamado sinal de relógio, gerado externamente, que irá definir a cadência de execução do programa pelo microprocessador.

O relógio

• A frequência desse sinal periódico tem de estar ajustada às especificações do microprocessador e encontram-se valores entre alguns Megahertz para os microprocessadores mais simples até alguns Gigahertz para os microprocessadores mais modernos.

Referências

• http://www.laercio.com.br/artigos/hardware/hard-009/hard-009.htm