Microprocessador: O Cérebro do Computador

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Microprocessadores
 
Microprocessador Pentium
 
Leis de Moore
 
Microprocessador
• Existe pelo menos um em todos os computadores 
(alguns têm mais de um);
• É o circuito electrónico que processa (calcula) todas as 
informações que passam pelo computador;
• As instruções dos programas são executadas pelo 
microprocessador;
• Ou seja, o Microprocessador é o “cérebro” do 
computador.
• O Microprocessador, assim como os demais 
componentes do computador, é encaixado na Placa-
mãe.
 
Como são fabricados...
• O primeiro passo é a obtenção da wafer 
(ou bolacha) de silício a partir de 
cilindros de silício.
• A wafer de silício possui diversas 
camadas fotossensíveis às quais são 
aplicadas sucessivamente diversas 
máscaras através de luz ultravioleta que 
criando desta forma o processador. No 
caso do Core 2 Duo da Intel são 
aplicadas 26 máscaras.
• Depois de obtidos os processadores, na 
ordem das centenas por cada wafer eles 
são recortados da mesma e testados.
 
O relógio (Clock)
• Onda eléctrica quadrada gerada por um 
cristal de quartzo.
• O nº de ciclos por segundo é medido em 
hz.
 
Estrutura do CPU
• Virtualmente quase todos os computadores 
contemporâneos são baseados na arquitectura de Von 
Newman e são baseados em 3 conceitos:
– Os dados e as instruções são armazenados numa memória de 
leitura/escrita
– O conteúdo desta memória é endereçado por localização sem 
preocupação com o tipo de dados
– A execução ocorre de uma forma sequencial (a não ser que 
explicitamente modificada) de uma instrução para outra
• A CPU é quem vai exercer o controlo entre os vários 
registos da memória e calcular as operações tendo em 
conta os vários sinais de controlo
 
Estrutura do CPU
 
Ligações dos diferentes 
dispositivos num computador
 
Barramentos
• Barramento de endereços
• Barramento de dados
• Barramento de controlo
 
Estrutura de um computador 
moderno
 
Vistas do CPU
 
Funções básicas do CPU
• Adquirir Instruções (Fetch Instructions): o CPU tem de 
ler as instruções a partir da memória.
• Interpretar Instruções: as instruções têm de ser 
descodificadas por forma a determinar a acção a 
executar.
• Adquirir dados (Fetch Data): a execução de uma 
instrução pode necessitar a leitura de dados da memória 
ou do módulo de entradas e saídas (I/O).
• Processar dados: a execução de uma instrução pode 
implicar operações lógicas ou aritméticas nos dados.
• Escrever dados: os resultados de uma execução podem 
implicar escrever dados na memória ou num módulo de 
E/S.
 
Funções básicas do CPU
• Tendo em conta estas operações, o computador tem de ter um sítio 
onde guardar os dados.
• É necessário saber qual o endereço físico da última instrução para 
que ele próprio consiga executar a próxima.
• É necessário que o computador guarde temporariamente os dados 
enquanto é executada uma instrução. Por outras palavras é 
necessário que o CPU tenha uma pequena memória interna.
• Para além dos registos internos do processador, onde serão 
alocadas as instruções e os dados de memória temporariamente. O 
CPU é constituído por uma Unidade Lógica Aritmética e uma 
Unidade de Controlo.
• A ALU (Unidade Lógica Aritmética) processa e calcula os dados.
• A Unidade de Controlo, controla o fluxo de dados e as instruções 
enviadas e recebidas do CPU e controla também as operações da 
ALU.
 
Organização dos Registos
• Os registos agrupam-se em dois grandes 
grupos:
– Registos visíveis ao utilizador
– Registos de controlo de estado.
• Os registos visíveis ao utilizador permitem ao 
programador minimizar as referências à 
memória principal e podem ser caracterizados 
nas seguintes categorias:
– Registos de Uso Geral
– Registos de Dados
– Registos de Endereço
– Códigos de condição
 
Registos visíveis ao utilizador
• Registos de Uso Geral - podem ser atribuídos a uma 
variedade de funções pelo programador, normalmente 
podem conter operandos para qualquer código de 
operação
• Registos de Dados - só podem ser utilizados para 
guardar dados e não podem ser utilizados em 
operações de cálculo de endereços
• Registos de Endereço - podem ser de uso geral ou 
podem estar vocacionados para um modo de 
endereçamento particular (ex. Stack pointer)
• Códigos de condição - também chamados de flags, 
geralmente agrupados em um ou mais registos que são 
alterados apenas pelo CPU dependendo da última 
operação lógica ou aritmética
 
Registos de Controlo de Estado
• Os Registos de Controlo de Estado são utilizados pela 
unidade de controlo para controlar a operação do CPU e 
por programas privilegiados (sistema operativo) para 
controlar a execução de outros programas. Como 
exemplos destes registos temos os quatro registos 
essenciais à execução de instruções:
– Program Counter (PC) - contém o endereço de uma posição de 
memória;
– Instruction Register (IR) - contém a instrução adquirida mais 
recentemente
– Memory Access Register (MAR) - contém o endereço de uma 
posição de memória
– Memory Buffer Register (MBR) - contém uma palavra de dados 
a ser escrita em memória ou a palavra lida mais recentemente
 
Execução de instruções num 
computador
• Na execução de um programa já em memória pronto a ser executado – programa em linguagem 
máquina - o CPU executa cada instrução numa sequência de passos elementares, assim 
agrupados:
– Fetch:
• lê uma instrução da localização em memória especificada pelo registo IP (Instruction Pointer)
• incrementa o IP de modo a ficar a apontar para a próxima instrução
• carrega a instrução que vem da memória no seu IR (Instruction Register)
– Execute:
• analisa a instrução para determinar o tipo de operação e operandos
• se a instrução necessita de operandos, calcula a sua localização
• se necessário, vai buscar o(s) operandos(s)
• executa a operação especificada na instrução
• guarda o resultado da operação efectuada
• volta ao passo inicial para ir buscar nova instrução
 
Ciclo de instrução
• Aquisição - lê a próxima instrução da 
memória para o CPU
• Execução - interpreta o opcode e executa 
a respectiva operação
• Interrupção - se as interrupções estiverem 
activas, e no caso de haver um 
interrupção, a informação é 
salvaguardada no estado em que se 
encontra
 
Ciclo de instrução
 
Ciclo de Instrução
 
Ciclo de aquisição
• Durante um ciclo de aquisição, uma instrução é lida da 
memória.
• O PC contem o endereço da próxima instrução a ser 
adquirida.
• Este endereço é copiado para o MAR e colocado no bus 
de endereços.
• A unidade de controlo faz um pedido de leitura de 
memória e o resultado é:
– Colocado no bus de dados
– Copiado para o MBR
– Movido para o IR.
• Entretanto o PC é incrementado, preparando-se o 
próximo ciclo de aquisição
 
Ciclo de aquisição
 
Ciclo indirecto
• A aquisição de um endereço indirecto introduz um novo 
subciclo de instrução que executa os acessos à 
memória suplementares.
• Nesta situação a principal linha de actividade consiste 
na alternância entre actividades de aquisição de 
instruções e actividades de instrução e execuções.
• Depois de uma instrução ser adquirida, é examinada 
com o intuito de se determinar se ocorreu algum 
endereçamento indirecto.
• Em caso afirmativo, os operandos são adquiridos 
usando o endereçamento indirecto.
• Logo depois e antes da aquisição da próxima instrução é 
verificado o estado das interrupções.
 
Ciclo indirecto
 
Ciclo de interrupção
• Tanto os ciclos de aquisição como os ciclos indirectos 
são simples e previsíveis.
• No caso dos ciclos de interrupção, sendo estes também 
simples e previsíveis, o valordo PC é salvaguardado, 
podendo o CPU retomar a actividade que estava a 
desenvolver logo após a interrupção.
• O valor do PC é transferido para o MBR e escrito em 
memória.
• O local reservado em memória para este efeito é 
carregado no MAR a partir da unidade de controlo.
• O PC é carregado com o endereço da rotina de 
interrupção, como resultado, o próximo ciclo de 
instrução irá começar na instrução apropriada.
 
Ciclo de interrupção
 
Um processador possui...
 
Clock de frequência interno
• Determina quantos ciclos por segundo (Hz) 
serão efectuados dentro do processador. Esse 
clock é directamente proporcional à quantidade 
de operações por segundo que um processador 
é capaz de executar
• O Clock chega, actualmente à casa dos GHz 
(Bilhões de Ciclos por Segundo);
• Nem sempre se executa UMA operação em UM 
ciclo de clock (dependendo da instrução, gasta-
se mais que isso).
• O Clock interno é um múltiplo do Clock Externo.
 
Clock (ou Frequência) Externo
• Determina quantos ciclos por segundo (Hz) 
serão efectuados no barramento que liga a 
Placa-mãe ao Processador (esse é o 
Barramento Frontal – FSB).
• O clock pode ser, normalmente, 400MHz, 
533MHz, 800MHz ou 1066MHz, dependendo do 
processador;
• A Placa-mãe tem que ser compatível com o 
processador nesse requisito (e em outros).
• Clocks externos maiores determinam maior taxa 
de transferência de dados entre o processador
 
Clock Externo x Mult = Clock 
Interno
 
Origem dos diversos sistemas de 
relógio presentes num PC
 
Memória cache
• Memória de grande velocidade fabricada dentro 
dos processadores.
• Serve para guardar os dados mais 
frequentemente usados pelo processador 
(quando ele traz da Memória Principal);
• Quanto mais memória cache um processador 
possui, mais desempenho ele apresenta;
• Há vários níveis de memória cache: Cache 
primária (L1) e cache secundária (L2) são as 
mais comuns. Há processadores, porém, que 
possuem também a cache L3.
 
Arquitectura do Processador
• Instruções: todo processador é fabricado para entender 
um conjunto básico de instruções (operações).
• Os processadores seguem um conjunto básico chamado 
x86 (o mesmo que era usado em Pentium, 486, 586) e 
ainda é usado para manter compatibilidade.
• Tecnologia de Fabricação: medida em nanômetros, 
descreve o espaço entre os microcomponentes do 
processador (quanto menor, mais moderno);
• Soquete: Descreve o formato de encaixe do 
processador à placa-mãe (eles têm que ser compatíveis 
nisso também) e varia de modelo para modelo.
 
Arquitectura do Processador
• Ainda podemos dividir os Microprocessadores, de 
acordo com sua arquitectura interna, em:
– RISC ou CISC;
• RISC: processadores com menos instruções; essas instruções são 
mais simples (podendo ser executadas em um ciclo de clock);
• CISC: processadores com mais instruções; essas instruções são 
mais complexas.
– 32 bits ou 64 bits;
• Descreve a palavra do processador (o tamanho do dado/instrução 
que pode ser manipulado pelo processador de uma única vez);
• A maoria dos nossos processadores são da “geração” de 32 bits, 
ou seja, manipulam, por vez, 4 bytes.
• Já existem processadores que conseguem entender informações 
de 64 bits de uma única vez (são processadores mais novos);
 
Processamento Pipeline
• Para além dos componentes eléctricos, a eficiência dos 
processadores pode ser aumentada através da própria 
organização dos elementos constituintes do CPU.
• Podemos,por exemplo, utilizar vários registos e/ou 
utilizar memória cache. 
• Uma técnica que vai permitir aumentar a eficiência do 
processador tem a ver com a utilização do 
processamento pipeline. 
• A estratégia usada é semelhante a uma linha de 
produção de uma fábrica. 
– Este processo consiste em trabalhar os produtos nas várias 
fases de fabrico, simultaneamente, permitindo a decomposição 
de instruções complexas em outras mais simples.
 
Processamento Pipeline
• Se reconhecermos que as 
instruções são executadas por 
fases (por exemplo duas: 
aquisição e execução) podemos 
explicar o conceito pipeline em 
duas fases independentes.
– A primeira fase consiste em 
adquirir uma instrução, 
utilizando para tal os ciclos de 
memória deixados livres pela 
segunda fase, e colocá-la num 
buffer.
– A segunda fase, consiste em 
executar a instrução adquirida 
na 1ª fase disponível no buffer. 
QuickTime Á and a
TIFF (LZW) decompressor
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Processamento Pipeline
• Por forma a aumentar a performance do 
sistema, o pipeline tem de ter mais estágios e 
de duração igual, assim as instruções podem 
ser decompostas em: 
– Aquisição da instrução (F.I. Fetch Instruction)
– Descodificação da instrução (D.I. Decode Instruction)
– Cálculo dos operandos (C.O. Calculation Operand)
– Aquisição dos operandos (F.O. Fetch Operand)
– Execução das instruções (E.I. Execute Instruction)
– Escrita dos Operandos (W.O. Write Operand) 
 
Processamento Pipeline
QuickTimeÁ and a
TIFF (LZW) decompressor
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Microprocessadores da Intel
• Desktop
– Celeron; Celeron D; Pentium 4; Pentium D; Core 2 
Duo. 
• Portáteis
– Celeron M; Pentium M (Centrino); Core Solo 
(Centrino); Core Duo (Centrino); Core 2 Duo.
• Servidores
– Xeon; Xeon MP; Itanium 2;
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Microprocessadores da AMD
• Desktop
– Sempron; Athlon 64; Athlon 64 X2; Athlon 64 
FX;
• Portáteis
– Mobile Sempron; Mobile Athlon 64; Turion 64;
• Servidores
– Opteron;
 
 
 
 
 
 
 
Controlador de memória integrado 
nos processadores AMD
• Nos processadores AMD, existe um circuito 
próprio para a comunicação directa do 
processador com a memória principal (RAM), 
existindo outro para comunicação com o 
chipset. A esta tecnologia a AMD deu o nome 
de HyperTransport.
• Nos processadores Intel (não-dotados deste 
recurso), o controlador da memória principal fica 
localizado na placa-mãe (dentro do chipset).
 
Controle da Memória (AMD x Intel)
 
Consumo energético de um 
computador
• Na batalha entre a Intel e a AMD uma das guerras prende-se com o 
consumo de energia dos processadores, e consequente 
aquecimento dos mesmos.
• O consumo de energia dos procesadores está relacionado com a 
sua potência, medida em Watts.
• Num computador o consumo é a soma das potências de todos os 
diferentes componentes incluindo o processador.
• Nos portáteis não aparece na maior parte dos casos a potência, 
mas sim a sua voltagem e amperagem. Para calcular a potência a 
partir destes dois valores faz-se a seguinte conta: P = V*I.
• Para saber quanto é que o seu computador gasta por hora deverá 
saber o preço da energia, que geralmente vem em Kw/h, e fazer a 
conta da seguinte forma: Consumo/h = (P/1000)*(preço kw/h).
	Microprocessadores
	Microprocessador Pentium
	Leis de Moore
	Microprocessador
	Como são fabricados...
	O relógio (Clock)
	Estrutura do CPU
	Slide 8
	Ligações dos diferentes dispositivos num computador
	Barramentos
	Estrutura de um computador moderno
	Vistas do CPU
	Funções básicas do CPU
	Slide 14
	Organização dos Registos
	Registos visíveis ao utilizador
	Registos de Controlo de Estado 
	Execução de instruções num computador
	Ciclo de instrução
	Slide 20
	Ciclo de Instrução
	Ciclo de aquisição
	Slide 23
	Ciclo indirecto
	Slide 25
	Ciclo de interrupção
	Slide 27
	Um processador possui...
	Clock de frequência interno
	Clock (ou Frequência) Externo
	Clock Externo x Mult = Clock Interno
	Origem dos diversos sistemas de relógio presentesnum PC
	Memória cache
	Arquitectura do Processador
	Slide 35
	Processamento Pipeline
	Slide 37
	Slide 38
	Slide 39
	Microprocessadores da Intel
	PowerPoint Presentation
	Slide 42
	Slide 43
	Slide 44
	Slide 45
	Slide 46
	Slide 47
	Slide 48
	Slide 49
	Slide 50
	Slide 51
	Microprocessadores da AMD
	Slide 53
	Slide 54
	Slide 55
	Slide 56
	Slide 57
	Slide 58
	Controlador de memória integrado nos processadores AMD
	Controle da Memória (AMD x Intel)
	Consumo energético de um computador