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ARQUITETURA DE COMPUTADORES

Aula 09: UCP – Evolução - I

Prof. Benito Piropo Da-Rin

Unidade Central de Processamento

• Evolução dos processadores

– Arquitetura aberta do PC;

– Placa-mãe “planar”

– End: segmento/deslocamento – Mem. Plana;

– Multitarefa e memória virtual;

– Modos de operação real, protegido, 8086 virtual

– Barramento frontal;

– Linha de montagem / Exec. Especulativa

(do 4004 ao 486) Arquitetura de Computadores Prof. Benito Piropo Da-Rin

A evolução das UCPs:

O que importa em uma UCP? Data do lançamento;

Características (largura e número) dos registradores ;

Frequência de operação da UCP;

Características (largura e frequência de operação) do barramento frontal (FSB) de dados (taxa de transferência de dados) e endereços (capacidade de endereçamento);

Características adicionais: • Funcionalidades (memória virtual, escalaridade, etc.)

• Número de transistores;

• Espessura da camada de silício;

• Número de núcleos, número e capacidade do cache interno, etc.


Arquitetura de Computadores Prof. Benito Piropo Da-Rin

Por que acompanhar a linha Intel ?

A Intel (sigla de Integrated Electronics) fabricou o primeiro microprocessador (i4004) em 1971 e desde então vem incorporando novas funcionalidades à sua linha de UCPs, sempre acompanhando a evolução da tecnologia. Ao seguir a evolução da linha Intel estaremos acompanhando passo a passo a evolução da tecnologia de fabricação de microprocessadores.



Intel 4004, novembro de 1971: Registradores de 4 bits (16

caracteres: 0 - 9 e operadores)

Barramento interno de 4 bits;

Memória RAM (endereçável): 640 posições de 1 byte;

Memória ROM: 4 KB

2.300 transistores;

Frequência: 108 KHz;

Camada de silício: 10 micra.



Intel 8008 – Abril de 1972: Registradores de 8 bits (dois

4004 justapostos);

Barramento interno 8 bits (multiplexado);

Memória RAM (endereçável): 16 KB;

3.500 transistores;

Frequência: 200 a 500 KHz;

Camada de silício: 10 micra.



Intel 8080 – Abril de 1974: o primeiro “de 8 bits”

7 Registradores de 8 bits (desde o projeto);

Barramento 8 bits (dados) / 16 bits (endereços);

Memória RAM (endereçável): 64 KB;

6.000 transistores;

Frequência: 2 a 3 MHz;

Camada de Si: 6 micra;

Primeiro a ser usado como UCP de um computador “de 8 bits” (Altair) e primeiro processador “conhecido”.



Altair 8800 – Janeiro/ 1975: Fabricante (do “kit”): Micro

Instrumentation and Telemetry (MITS).

Preço: kit ; US$ 400; montado: US$ 600;

Processador: Intel 8080 2 MHz; MP: 256 B (expansível até 64 K); Armazenamento: Fita (magnética

ou perfurada); Opcional: disco flexível 5,25” ou 8”;

Saídas: Paralela e Serial, opcionais; Sem vídeo..



Intel 8086 – junho de 1978: Desempenho 10 vezes superior ao do

8080;

8 registradores de 16 bits;

Barramento FSB dados: 16 bits/8bits; endereços: 20 bits;

Endereçamento: segmento/deslocamento;

Memória RAM endereçável: 1 MB;

29.000 transistores;

Freq: 4,77 / 8 / 10 MHz;

Camada de Si: 3 micra;




O início da “linha PC” IBM Personal Computer (PC) – 12 de agosto de 1981 Objetivo: 1) evitar perda de mercado (repetindo caso dos minis, para

DEC e outras) e 2) funcionar como “terminal inteligente” de máquinas de grande porte.

Por razões legais (ação anti-monopólio) a IBM usou componentes “de prateleira”. Por isso: – Adoção do Intel 8088 (barramento de dados de 8 bits) – Arquitetura aberta.

Consequência (indesejada pela IBM, excelente para usuários): ensejou a fabricação dos clones e tornou-se padrão de mercado.


O sucesso dos PCs: Previsão inicial da IBM: vender 25.000 máquinas.

Mercado: • 1 bilhão de máquinas em uso em 2008.

• Previsão: dois bilhões em 2015

Algumas consequências: • Levou a Intel a fazer parte das “Fortune 500”;

• Seu sistema operacional MS-DOS (derivado do QDOS desenvolvido por Tim Patterson e comprado da Seattle Computers por 50 mil dólares) transformou a MS na maior empresa de software do mundo;

• Levou os computadores para todas as empresas e quase todos os domicílios;

• Deu origem à informática moderna (e a nosso curso...)



8086/88 – IBM PC:

Conceitos:

• “Computador pessoal”;

• Arquitetura aberta;

• Barramento de E/S provido de conectores de uso geral (“expansion slots”);

• Endereçamento por segmento / deslocamento;



Intel 80286 – fevereiro de 1982: Primeiro desenvolvido para micros

pessoais;

8 registradores de 16 bits;

Barramento FSB dados: 16 bits; endereços: 24 bits;

Endereçamento: segmento/deslocamento;

Memória RAM endereçável: 16 MB;

Freq: 6 / 10 / 12 MHz (AMD: 20 MHz);

134.000 transistores;

Camada de Si: 1,5 micron;

Pioneiro da “compatibilidade retroativa”



O “286”: Versão muito aperfeiçoada e avançada do 8086;

Circuito interno reprojetado (a versão de 6 MHz tinha um desempenho 5 X melhor que a de 5 MHz do 8086);

Foi a UCP adotada pela IBM para o “AT” em 1984;

Foi o primeiro microprocessador a ter um “chipset” (conjunto de poucos CIs que substituem dúzias de outros componentes auxiliares);

Barramento Frontal (FSB) desvinculado do de E/S;

Pioneiro na tecnologia de: • Multitarefa / Proteção de memória;

• Uso de memória virtual.

• Barramento frontal (FSB).



Multitarefa / Modo protegido: Multitarefa: simulação da execução simultânea

de programas distribuindo certo número de ciclos de máquina sucessivamente a cada um deles (cada um recebia uma “fatia de tempo”, ou time slice);

Cada programa tinha direito a acessar um trecho de memória para seu uso. Para evitar interferência no trecho de memória dedicado a outro programa, a UCP rodava no “modo protegido”.

Para garantir compatibilidade com os programas desenvolvidos para o DOS (do 8086) a UCP inicializava no “modo real”, emulando um 8086 com todas as suas limitações.



Memória virtual: Multitarefa -> Mais programas -> Mais memória RAM;

Solução: simular memória primária (RAM, cara) na memória secundária (disco rígido, mais barata) armazenando trechos da MP em “arquivo de troca” (swap file) no disco.

No 286 aumenta o endereçamento: 16 MB -> 1 GB

PORÉM: como a UCP não pode acessar disco diretamente e como instruções só podem ser lidas na MP, caso seja necessário acessar um dos endereços cujo conteúdo está no disco, é preciso trocar conteúdo de memória com disco;

Consequência: lentidão.



Memória Virtual:

Troca de conteúdo entre MP e disco rígido



O 80286 e o IBM AT:

CONCEITOS:

• Multitarefa: fatia de tempo (“time slice”), modos de operação: real e protegido;

• Memória Virtual: Arquivo de troca (“Swap File”);

• Barramento Frontal (FSB);



Problemas do 80286... O 80286 iniciava no modo real e passava para o protegido

mediante a execução de uma instrução; mas não havia instrução para retornar do modo protegido ao real.

Multitarefa exigia colaboração do sistema operacional;

PORTANTO: somente se podia tirar todo o proveito do 286 (multitarefa, modo protegido, memória virtual e 16 MB de RAM) rodando o OS/2, desenvolvido para ele.

OS/2 só rodava um programa DOS de cada vez (na “compatibility box”) e havia poucos programas OS/2;

Em 84/85 o mercado já era dominado pelo DOS...

RESULTADO: a maioria dos 286 rodava como 8086;

SOLUÇÃO: 80386



Intel 80386 – junho de 1985: (SX: 06/1988 ; SL: 10/1990)

Primeiro desenvolvido com visão de mercado de micros;

Registradores de 32 bits (primeiro “de 32 bits”); Barramento FSB dados: 32 bits; endereços: 32

bits; Endereçamento: direto (“memória plana”); Memória RAM endereçável: 4 GB; Virtual: 64

TB; Freq: 16 / 20 / 25 / 33 MHz (AMD: 40 MHz); 275.000 transistores; Camada de Si: 1,5 micron; Modos: real, protegido, 8086 virtual; Instrução para retornar ao modo real;



i386 - características. “Modo 8086 virtual”: “máquinas virtuais” com acesso

protegido a 1 MB de memória carregavam cópia do DOS, código e dados de um programa. Resultado prático: multitarefa de programas DOS.

Arquitetura “de 32 bits”: modelo de programação que perdurou por 20 anos (atravessou a “era Pentium”)

Centenas de vezes mais rápido que o 8088

Primeiro 386: Compaq (1987) (IBM: PS/2 -> desastre)

Primeiro a ter cache interno (16 bytes, só instruções)

386 SX: barramento dados MP 16 bits (facilitar vendas)

(DX: Double-word eXternal; SX: Single-word eXternal)



i386:

CONCEITOS:

• “Modo 8086 virtual”: “máquinas virtuais”;

• Arquitetura de 32 bits: memória plana (não mais segmento/deslocamento);



i80486 – abril de 1989: (SX: 04/91; DX2: 03/92; DX4: 07/94) Primeiro a incorporar coprocessador

matemático e cache interno de 8 KB; Registradores, FSB - dados e endereços: 32 bits; Endereçamento: direto (“memória plana”); Memória RAM endereçável: 4 GB; Virtual: 64

TB; Frequências: 25/40/50 (SX: 33; DX2: 40/66;

DX4: 75/100) MHz; 1,2 milhões de transistores; Camada de Si: 1 micron; Modos: real, protegido, 8086 virtual; Processamento em “pipeline”. Dissipador de calor (passivo)



Características do i386 x i486:

Onde estão as diferenças?

• Além de incluir cache interno de 8 KB e coprocessador matemático, todo o hardware do processador foi otimizado e ele adotou a arquitetura em pipeline.

• Por isso, ainda que operando na mesma frequência, o i486 era significativamente mais rápido que o i386.



Característica i386 i486

Registradores 32 bits 32 bits

Endereçamento Direto Direto

Memória RAM/Virtual 4 GB / 64 TB 4 GB / 64 TB

Modos Real/Protegido/8086 Virtual Real/Protegido/8086 Virtual

Conjunto de instruções Praticamente idênticos (486 tinha 6 instruções a mais)

i486 - Pipelining (Linha de Montagem). Na arquitetura convencional: a instrução é lida,

decodificada, executada (o que pode exigir ler ou escrever na MP) e o resultado é escrito em um Registrador, passo a passo.

Como estas tarefas são independentes, cada uma delas é executada em uma seção do microprocessador. Então por que não começar a processar a próxima instrução antes de terminar a anterior, como em uma linha de montagem?

A divisão do hardware do processador em seções (ou “estágios”) e a execução simultânea de instruções sucessivas em diferentes estágios chama-se “Linha de montagem” ou “PIPELINING” (expressão do inglês para “encanamento”)



i486 - Pipelining (Linha de Montagem).



i486 - Pipelining (Linha de Montagem) Divisão do hardware interno do processador em seções

independentes que podem operar simultaneamente.



Execução especulativa. Quase todo programa depende da escolha da próxima

instrução baseada em decisões lógicas (comparações).

Em um pipeline, que instrução escolher se o resultado da comparação ainda não estiver disponível?



Execução especulativa. Quase todo programa depende da escolha da próxima

instrução baseada em decisões lógicas (comparações).

Em um pipeline, que instrução escolher se o resultado da comparação ainda não estiver disponível?

Solução: “CHUTAR” um resultado e seguir adiante...

• Se acertou, ganha-se tempo.

• Se errou, descarta-se os resultados intermediários e opera-se com o resultado correto (e nada se perde, já que a alternativa seria mesmo esperar o resultado…)

O nome técnico disto é Execução Especulativa ou Predição de Ramo (“branch prediction”)



Desvinculação das frequências de operação de UCP e barramento. No início dos anos 90 a tecnologia de fabricação de

processadores produzia UCPs cada vez mais rápidas.

PORÉM: a tecnologia de fabricação de memórias não evoluíu com a mesma rapidez e os tempos de acesso à memória não se reduziam na mesma proporção.

SOLUÇÃO: Desvincular frequencias da UCP e do barramento FSB • i486 DX2: f(CPU) = 2 x f(barramento) – 40/20 ; 66/33

• i486 DX”4: f(CPU) = 3 x f(barramento) – 75/25 ; 100/33

Esta tendência perdura até os dias de hoje.



i486: CONCEITOS:

• Cache interno ou cache de nível um ou cache L1;

• Coprocessador matemático incorporado;

• Arquitetura em linha de montagem (“pipelining”): execução especulativa ou predição de ramo (“branch prediction”);

• Desvinculação da frequência de processamento interna da UCP da frequência do barramento frontal;

• Início do uso do dissipador de calor passivo.



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