M I B INTRODUÇÃO Microprocessadores

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1 M I B INTRODUÇÃO Microprocessadores
Processador ou Microprocessador = UCP (CPU) são termos equivalentes. Gerenciam todos os recursos disponíveis no Sistema (coordenados pelos programas) Executa somas e comparações entre números com velocidade extremamente elevada. As funções da UCP são sempre as mesmas, os que as diferenciam é a estrutura interna e os conjuntos de instruções próprios

2 M I B Microprocessadores Incompatibilidade de Sistema Operacional
(Win95 no Z80 ou no 8080) Trabalha diretamente com a memória principal (RAM) Ciclo de Instrução Ler (copiar) conteúdo de um endereço de memória no registrador do processador central; Comparar duas informações; Adicionar, subtrair dois números; Escrever palavra na memória ou dispositivo de saída.

3 M I B Microprocessadores Atividades realizadas pela UCP
Função Processamento: Atividades relacionadas com a efetiva execução de uma operação (processar) O dispositivo principal : UAL - Unidade de Aritmética e Lógica. Componentes relacionados : Registradores (servem para armazenar dados a serem usados pela UAL A interligação é efetuada pelo barramento interno da UCP. Função Controle: Atividades de busca, interpretação e controle da execução das instruções É projetada para entender o que fazer, como fazer e comandar quem vai fazer no momento adequado. Dispositivos básicos : unidade de controle, decodificador, registrador de instrução, contador de instrução, "clock" e os REM RDM

4 M I B Microprocessadores Unidade de Aritmética e Lógica – UAL ou ULA
Executa realmente as operações matemáticas com os dados. Registradores Destinados ao armazenamento de dados, pois servem de memória auxiliar da UAL. Para transferir dados para a UAL Armazena temporariamente o resultado de uma operação aritmética ou lógica realizada na UAL, podendo ser utilizado depois ou apenas para ser transferido para a memória. Clock Gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo. Quantidade de pulsos por segundo define a unidade de medida(freqüência), a qual defini a velocidade da UCP. Unidade de medida é o Hertz (Hz) = 1 ciclo por segundo.

5 M I B Microprocessadores Unidade de Controle (UC)
Dispositivo mais complexo da UCP. Possui a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e instruções de e para a UCP, Controla a ação da UAL Recebe instruções da unidade de E/S e as converte em um formato que pode ser entendido pela ULA Controla qual etapa do programa está sendo executado. Registrador de Instrução (RI) Tem a função específica de armazenar a instrução a ser executada pela UCP.

6 M I B Microprocessadores Contador de Instrução
Registrador cuja função específica é armazenar o endereço da próxima instrução a ser executada. Decodificador de Instrução Utilizado para identificar as operações a serem realizadas. Cada instrução é uma ordem para que a UCP realize uma determinada operação. Muitas instruções, cada uma possui uma identificação própria e única, a UC recebe a identificação e sinaliza adequadamente ao dispositivo certo da UCP. Registrador de Dados de Memória (RDM) e Registrador de Endereços de Memória (REM) Utilizados pela UCP e memória para comunicação e transferência de informações.

7 M I B Microprocessadores Evolução Exponencial

8 M I B Microprocessadores Por que mais transistores ? - Velocidade
- Aumento do Microcódigo (Conjunto de Instruções) Processador Novo Processador Anterior Nova Instrução = Conjunto de Instruções mais instruções => mais tempo para decodificar => mais lento Pipeline Cache Integração de C. A. Arquitetura Superescalar Necessidade de novos recursos de aumento de desempenho para que seja mais rápido :

9 M I B Microprocessadores Tecnologia
CISC (Complex Instruction Set Computing) Computação Utilizando Conjunto Complexo de Instruções Total do Conjunto de Instruções 20 % são realmente usadas por programas e S.O. (regra 80/20) 80% do tempo está se usando 20 %das instruções Nova Idéia : RISC (Reduced Instruction Set Computing) Computação Utilizando Conjunto Reduzido de Instruções - poucas instruções - padronizadas - eliminação do microcódigo

10 M I B Microprocessadores Metodologia de linha de montagem ou pipeline
Enquanto executava uma instrução teria partes ociosas PIPELINE : enquanto está executando uma instrução, o processador já está lendo e decodificando a próxima instrução. (somente 486 em diante)

11 M I B Microprocessadores Processamento Paralelo
Máquinas paralelas podem ser divididas em três categorias (Flynn), baseando-se no número de fluxos de instruções e de dados que elas têm: SISD (Single Instruction, Single Data) Fluxo único de instruções e de dados.

12 M I B Microprocessadores SIMD (Single Instruction, Multiple Data)
Fluxo único de instruções e múltiplo de dados. (Pentium MMX)

13 M I B Microprocessadores MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data)
Fluxo múltiplo de instruções e de dados

14 M I B Microprocessadores Categorias / Histórico (INTEL) 8086 (1978)
1º processador de 16 bits Grande fracasso, na época não existiam circuitos de apoio de 16 bits (restrito à sistemas corporativos) Acessava até 1 MB de RAM Coprocessador aritmético externo : 8087 8088 Idêntico ao 8086, Internamente funciona com palavras binárias de 16 bits, externamente trabalha com 8 bits. Permitiu seu uso em conjunto com periféricos de 8 bits, mais baratos na época, motivo da sua popularização. Usado nos IBM PC e IBM XT Velocidade de operação de 4,77 Mhz

15 M I B Microprocessadores 80286
Palavras de 16 bits (interna e externamente) Lançado quando já existiam circuitos de apoio de 16 bits a preços acessíveis, tendo espantosa aceitação. Coprocessador aritmético, o 80287 Avanço sobre o 8086 Operação em: "Modo Real" e o "Modo Protegido" Modo Real se comporta como um 8086 (apesar de mais rápido) Total compatibilidade com os programas já existentes. Modo Protegido incorpora funções mais avançadas : - Capacidade de acessar até 16 MB de RAM (Address de 20 para 24 bits - Multitarefa - Memória Virtual em disco - Proteção de Memória

16 M I B Microprocessadores 80286
Ligando :Modo Real com certa instrução  Modo Protegido Problema : quando em Modo Protegido, incompatível com os programas escritos para 8088 Estando em Modo Protegido não havia uma instrução para voltar para o Modo Real ( só re-startando) Poucos foram os programas capazes de usa-lo Computadores com processadores 286 utilizados como XT's mais rápidos

17 M I B Microprocessadores 386 (1985)
Trabalha interna e externamente com palavras de 32 bits, Acessar até 4 GB de memória RAM Pode alternar entre o modo real e o modo protegido Desenvolvidos vários S.O. que usam modo protegido 386 (Win3.1, OS/2, Win95 e Win-NT) Criação de Memória Cache (na placa mãe) Exigia periféricos de 32 bits (muito caros na época) Intel lançou versão do 386 de baixo custo (386 SX) interno=32 bits externo=16 bits (386 original = 386 DX) Placas mãe baratas usando os mesmos componentes das placas 286. Coprocessadores aritméticos 80387SX e o 80387DX AMD também lançaram seus modelos de 386.

18 M I B Microprocessadores Microprocessador 80386. AMD e Intel
486DLC e 486SLC (Cyrix) Nada mais eram do que processadores 386(respectivamente o DX e o SX) que possuíam um cache interno de 8 KB, usando placas de 386. Devido ao cache tinha desempenho bastante superior ao 386 Podia-se trocar apenas o processador, tornando boa opção de upgrade de baixo custo

19 M I B Microprocessadores 486
Manteve praticamente o mesmo número de instruções Aumento muito superior em desempenho Novidades : Co-processador matemático integrado (Versão DX) Memória Cache Interna (8 kB DX2 16 kB DX4) Memória Cache Externa Características importantes do 386: Manipulação de dados de 32 bits, Acesso a 4 GB de RAM 486DX Mhz (int) 50 Mhz (ext) 486DX Mhz “ 25 Mhz “ 486DX Mhz “ 33 Mhz “ 486DX Mhz “ 25 Mhz “ 486DX Mhz “ 33 Mhz “

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21 M I B Microprocessadores PENTIUM
Mudou tática do nome (não podia registrar nome-número) Barramento de dados de 64 bits Memória Cache L1 16 kB 8 kB dados 8kB instruções Previsão de Desvio (Controlador de Cache se antecipa) Arquitetura Superescalar (Como 2 x 486 em paralelo) Multiprocessamento (dual Pentium) Co-processador Matemático 10x + rápido) CPU-ID

22 M I B Microprocessadores AMD K5 Compatível da AMD
Desempenho bastante semelhante ao Pentium Perde apenas no desempenho do coprocessador aritmético que é mais lento Não se tornou muito popular devido lançamento atrasado Quando saíram versões 100 e 133 MHz do K5 Intel já havia lançado as versões de 166 e 200 MHz do Pentium Ficando difícil a concorrência

23 M I B Microprocessadores PENTIUM MMX (Multi Media eXtension)
Memória Cache L1 32 kB 16 kB dados 16 kB instruções 2 Conj. de Instruções : 1 Tradicionais + 1 MMX (57 novas) Não alterou modo de operação (não necessitou novos S.O.) Compartilha o circuito do co-processador Novo Conceito SIMD (processa vários dados “simultâneo”)

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Ganho de desempenho (para dados pequenos 8 bits)

25 M I B Microprocessadores AMD K6 Concorrente para o Pentium MMX
Cache L1 de 64 KB, contra os 32 KB do MMX Capaz de executar apenas 1 instrução MMX /ciclo de clock contra 2 do Pentium MMX Coprocessador aritmético interno bem mais lento que do Pentium Aquecimento exagerado A escolha depende da aplicação Para jogos ou edição de imagens : o MMX Aplicações mais corriqueiras : o K6 é superior (e mais barato)

26 M I B Microprocessadores AMD K6-2
27 novas instruções aos seus processadores K6-2 (3D-Now) Objetivo : agilizar processamento de imagens 3D, funcionando junto com placa aceleradora 3D Velocidade de barramento de 100 MHz Versões a partir de 300 MHz Compatível com as instruções MMX, mas executa apenas 1 instrução/ciclo clock contra 2 dos Intel Fabricados com tecnologia de 0.25 mícron, garante menor dissipação

27 M I B Microprocessadores Cyrix 686MX
Concorrente da Cyrix contra MMX da Intel Cache L1 de 64 KB e usa soquete 7 Performance em aplicações Windows = K6 (mesmo clock) Coprocessador aritmético é ainda mais lento do que K6 Muito fraco desempenho em jogos e aplicativos gráficos que tem uso intenso de cálculos Aplicações de escritório (Office), ótima opção devido ao baixo preço Família MX Versões PR150, PR166, PR200, PR233 e PR266 686MX PR266 = 225 MHz (3x 75MHz)

28 M I B Microprocessadores Cyrix MII
Nada mais é do que uma continuação da série 686MX Alcançando índices PR 300, 333, 350 e PR400 Cyrix Media GX É um 6x86MX acrescido de circuitos controladores de memória e cache Também controladores de vídeo e som Mercado de PCs de baixo custo e principalmente a notebooks. Em portáteis vantagem de pouco consumo (autonomia da bateria) Em desktops poucas possibilidades de upgrade (placa mãe específica) Usado somente em computadores de arquitetura fechada

29 M I B Microprocessadores PENTIUM PRO
Projeto para ser usado em servidores de rede Acesso a 64 GB de memória (36 bits) Arquitetura CISC / RISC (Núcleo RISC Decod. CISC) Arquitetura Superescalar (3 canalizações) Memória Cache L2 Integrada ao processador

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Multiprocessamento : Pode trabalha até 4 em paralelo Erro de Projeto : Perde ao processar instruções de 16 bits (Novas funções atingem bom desempenho para 32 bits)

31 M I B Microprocessadores PENTIUM II
Utiliza o núcleo do Pentium Pro e a tecnologia MMX Novo Encapsulamento SEC e SLOT 1 Memória Cache L2 não mais Integrada ao processador, mas no cartucho SEC (Porém com metade da freqüência)

32 M I B Microprocessadores
Multiprocessamento : Pode trabalha até 2 em paralelo Solucionou erro de projeto do Pentium Pro: Decodificador otimizado para instruções de 16 bits

33 M I B Microprocessadores Celeron (Mercado de PC's de baixo custo)
Perdendo terreno para K6 e o 6x86MX, Intel lançou versão de baixo custo do Pentium II Versões de 266 e 300 MHz. É um Pentium II desprovido do Cache L2 Performance do equipamento cai em mais de 30% Perde até para mais antigos (o MMX, o K6 e o 6x86 MX) Celeron de 266 MHz INFERIOR a 233 MMX (maioria das aplicações) Ponto a favor : Coprocessador aritmético =do Pentium II (muito mais rápido do que o do MMX ou do K6)

34 M I B Microprocessadores Celeron A (Mendocino)
Celeron não conseguiu uma boa aceitação no mercado Intel equipa novas versões do Celeron com 128 KBytes de cache L2 L2 ao contrário Pentium II funciona na mesma velocidade do processador. É menos de 5% mais lento Pentium II Mesmo que 4 vezes menos de cache, nele, este funciona ao dobro da velocidade

35 M I B Microprocessadores Pentium Xeon
Basicamente a mesma arquitetura do Pentium II Cache L2 mesma velocidade do processador (= Celeron Mendocino e no Pentium Pro) Versões com 512, 1024 e 2048 KB de cache Velocidades de 400 e 450 MHz Novo Encapsulamento (Usa SLOT 2) Multiprocesamento (até 8 processadores numa placa compatível)

36 M I B Microprocessadores Pentium III 70 Novas instruções
Versões com BUS de 100 (0,25 mm) e 133 MHz (0,18 mm) Cache L2 : 512 kB half-speed 256 kB full-speed Encapsulamento SEPP e FC-PC-PGA Tecnologia MMX2 (Utiliza mais o co-processador) Co-processador Superescalar (MMX, MMX2 e Aritméticas)

37 M I B Microprocessadores Hyper Pipelined Technology
Pentium IV Arquitetura Netburst Composta por 4 componentes : Hyper Pipelined Technology, Rapid Execution Engine, Execution Trace Cache e Bus de 400MHz Hyper Pipelined Technology Pentium III 10 estágios Athlon 11 estágios Pentium estágios ( + estágios  freqüências mais altas) - Problema com muitos estágios na “decisão errada” (dobro do tempo para processar a decisão correta)

38 M I B Microprocessadores Bus de 400 MHz Barramento operando a 100 MHz
Mas com 4 transferências por ciclo Equivale a um barramento de 400 MHz Porém o barramento é equivalente à velocidade do acesso à memória RAM Rapid Execution Engine P3 possui (1) ALU (1) GLU e (1) ALU complexa P4 reforço nas unidades de inteiros do processador. Possui 5 unidades de processamento de inteiros : 2 ALUs processam as instruções mais simples 2 GLUs encarregadas de ler e gravar dados 1 ALU encarregada de decodificar e processar as instruções complexas (2 ALUs em || na freq. do nucleo, teoricamente o dobro de freq.)

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Apesar das 2 ALUs instr. simples serem mais rápidas, (compensando a perda de desempenho dos 20 estágios de Pipeline) ALU de instr. complexas não teve evolução. Usando 20 estágios de Pipeline tornou-se mais lenta que a do P3. SSE2 ("Double Precision Streaming SIMD Extensions“) São 144 novas instruções de ponto flutuante de dupla precisão. Mesma função das SSE do PIII e do 3D-Now (Athlon) : “Melhorar o desempenho do processador em aplicativos de ponto flutuante” As instruções do P4 são muito mais poderosas que os conjuntos anteriores Pode literalmente salvar a pátria do Pentium 4 (caso realmente um grande número de aplicativos sejam bem otimizados para as novas instruções)