Microprocessadores
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INTRODUÇÃO
 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
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 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.
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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
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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.
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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.
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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.
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Evolução Exponencial
Processador
Ano de lançamento
Transistores
8088
1978
29 mil
286
1982
134 mil
386DX
1985
275 mil
486DX
1989
1,2 milhões
Pentium
1993
3,3 milhões
Pentium Pro
1995
5,5 milhões
Pentium MMX
1996
4,5 milhões
Pentium II
1997
7,5 milhões
Pentium III
1999
25 milhões
Pentium IV
2001
42 milhões
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Por que mais transistores ?
- Velocidade
- Aumento do Microcódigo (Conjunto de Instruções)
Processador Novo
Nova Instrução
=
Processador Anterior
Conjunto de Instruções
mais instruções => mais tempo para decodificar => mais lento
Necessidade de novos recursos
de aumento de desempenho
para que seja mais rápido :
Pipeline
Cache
Integração de C. A.
Arquitetura Superescalar
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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
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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)
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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.
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SIMD (Single Instruction, Multiple Data)
Fluxo único de instruções e múltiplo de dados. (Pentium MMX)
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MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data)
Fluxo múltiplo de instruções e de dados
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
• 486DX50
• 486DX2-50
• 486DX2-66
• 486DX4-75
• 486DX2-100
50 Mhz (int)
50 Mhz “
66 Mhz “
75 Mhz “
99 Mhz “
50 Mhz (ext)
25 Mhz “
33 Mhz “
25 Mhz “
33 Mhz “
Microprocessadores
Empresa
Modelo
AMD
AMD
Cyrix
Cyrix
Am5x86-133
Am5x86-160
Cx5x86-100
Cx5x86-120
Clock (Mhz)
Externo
Interno
33
133
40
160
33
100
40
120
MIB
Cache (L1)
16 kB
16 kB
16 kB
16 kB
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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
Microprocessadores
Clock (ext)
(MHz)
50
60
66
1x
Pentium-60
Pentium-66
Fator de Multiplicação / Clock (int)
1,5 x
2x
2,5 x
Pentium-75
Pentium-125
Pentium-90 Pentium-120 Pentium-150
Pentium-100 Pentium-133 Pentium-166
MIB
3x
Pentium-180
Pentium-200
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
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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”)
Clock (ext)
(MHz)
66
Fator de Multiplicação / Clock (int)
2,5 x
3x
3,5 x
Pentium MMX-166 Pentium MMX-200 PentiumMMX-233
Microprocessadores
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• Ganho de desempenho (para dados pequenos 8 bits)
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)
MIB
Microprocessadores
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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
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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)
Microprocessadores
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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
Microprocessadores
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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)
Clock (ext)
(MHz)
60
66
Fator de Multiplicação / Clock (int)
2,5 x
3x
Pentium Pro-150
Pentium Pro-180
Pentium Pro-166
Pentium Pro-200
Microprocessadores
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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)
Microprocessadores
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• Multiprocessamento : Pode trabalha até 2 em paralelo
• Solucionou erro de projeto do Pentium Pro: Decodificador
otimizado para instruções de 16 bits
Clock (ext)
(MHz)
66
100
3,5 x
Pentium II-233
Pentium II-350
Fator de Multiplicação / Clock (int)
4x
4,5 x
Pentium II-266
Pentium II-300
Pentium II-400
Pentium II-450
5x
Pentium II-333
Pentium II-500
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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)
Microprocessadores
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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
Microprocessadores
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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)
Clock (ext)
(MHz)
100
4x
PII Xeon-400
Fator de Multiplicação / Clock (int)
4,5 x
5x
PII Xeon-450
PII Xeon-500
5,5 x
PII Xeon-550
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
MIB
•Encapsulamento SEPP e FC-PCPGA
• Tecnologia MMX2 (Utiliza mais o
co-processador)
• Co-processador Superescalar
(MMX, MMX2 e Aritméticas)
Microprocessadores
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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 4 20 estágios
( + estágios  freqüências mais altas)
- Problema com muitos estágios na “decisão errada”
(dobro do tempo para processar a decisão correta)
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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.)
Microprocessadores
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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)