Processadores

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Capítulo 5
Unidade Central de 
Processamento
Gerações de Processadores
•Em novembro de 1971 a Intel publicou a invenção do primeiro processador do mundo, o 
Intel 4004.
•2.300 transistores em uma área de 3x4 milímetros
•CPU de 4 bits
•A nave espacial Pioneer 10 usou o 4004, foi lançada em março de 1972.
Gerações de Processadores
1ª Geração
•Intel 8086 (1978). Primeiro processador feito para PC’s. Trabalhava tanto internamente 
quanto externamente a 16 bits e foi distribuído em versões de 4,77MHz. 
•Intel 8088 (1979). Processador utilizado pela IBM no seu primeiro PC. Era idêntico ao 
8086 porém trabalhava externamente a 8 bits.
Gerações de Processadores
2ª Geração
•Intel 80186. Processador intermediário entre o 8086 e o 80286. Não foi utilizado na 
construção de PC’s. Utilizados em controladores de HD’s. 
•Intel 80286 (1982). Trabalhava com 16 bits. Multitarefa. Memória virtual em disco. 
Proteção de memória. Operava a 6MHz. Endereçava 16MB de memória.
Gerações de Processadores
3ª Geração
•Intel 386 (1985). Primeiro processador de 32 bits. Multitarefa. Memória virtual em disco. 
Podia endereçar até 4GB de memória. Introduziu o conceito de memória cache. Operava a 
12,5 a 33MHz. 
Gerações de Processadores
4ª Geração
•Intel 486 (1991). Primeiro processador a trazer memória cache integrada e co-
processador aritmético. Operando a 25,33 a 40MHz. Em algumas aplicações chega a ser
mais de 10 vezes mais rápido que o 386. Cooler nos processadores. 5 estágios de pipeline.
Placa mãe com possibilidade de upgrade.
Gerações de Processadores
5ª Geração
•Pentium (1992). Operava 65% a 100% mais rápido que os 386 (60 a 200MHz).
•Cache L1 mais aprimorada. Co-processador aritmético remodelado. Previsão de desvio.
•Arquitetura super-escalar. Suporte a multiprocessamento simétrico.
•Acesso mais rápido à memória.
•Outros processadores: Intel (Pentium MMX e Pentium PRO) AMD (K5, K6, K6-2 e K6-3).
Gerações de Processadores
6ª Geração
•Pentium II(1992). Baseado no projeto do Pentium Pro. Cache L2 integrada. Pipeline de 10
estágios. Versões operando na faixa de 300MHz (0,35 mícron) e maiores que
330MHZ(0,25 mícron).
•Pentium III (1999). 70 novas instruções. Operava até 600MHz (0,25 mícron). De 650MHz
até 1GHz (0.18). Cache L2 integrada ao processador. Outros processadores: Intel
(Celeron), AMD (Duron).
Gerações de Processadores
7ª Geração
•Pentium IV(2000). Nova arquitetura NetBurst. HyperPipeline de 20 estágios. Rapid
Execution Engine (5 unidades de processamento de inteiros). Cache de dados de 8KB.
Barramento de 400MHz. Contava com 144 novas instruções. Outros processadores : Intel
(Pentium 4 com tecnologia HT), AMD (Athlon e Opteron).
Gerações de Processadores
Atualidades: Intel Core 2 Duo, AMD Quad Core.
Processador
•O processador também é conhecido como microprocessador ou CPU (Central Processing
Unit), ou ainda, em português, UCP (Unidade Central de Processamento).
•São componentes principais de um processador: Set de registradores , (2) Unidade de
Lógica e Aritmética e (3) Unidade de Controle.
•Um microprocessador é responsável por (1)buscar e executar instruções existentes na
memória, (2) Movimentar dados de e para a memória e (3) transferir dados de e para os
dispositivos de entrada e saída. Essas instruções são escritas em "linguagem de máquina".
•São comandos muito simples, como operações aritméticas e lógicas, leituras, gravações,
comparações e movimentações de dados. Essas instruções simples, quando agrupadas,
formam o que chamamos de programas.
•Observe os componentes básicos de uma CPU na figura abaixo.
• Um ciclo de instrução de máquina compreende:
1-A próxima instrução a ser executada, cujo
endereço é obtido do registrador PC, é capturada
da memória e armazenada no registrador IR.
2- A instrução é decodificada
3-Os operandos são localizados na memória
e armazenados nos registradores da CPU, se
necessário.
4-A instrução é executada.
5-Os resultados são transferidos dos registradores
da CPU para a memória, se necessário.
Organização dos Registradores
*Os registradores da CPU estão organizados em dois grupos:
-Registradores visíveis ao usuário: esses registradores são utilizados pelos
programadores em linguagem de máquina ou assembly (também por programas já
compilados) para reduzir as referências à memória principal.
-Registradores de status e controle: são utilizados pela unidade de controle para
controlar a CPU e por Sistemas Operacionais para controlar a execução de programas.
*Os registradores visíveis ao usuário são caracterizados pelas seguintes categorias:
-Propósito geral.
-Dados (ligado ao barramento de dados).
-Endereço (ligado ao barramento de dados) .
-Flags (expressam condição de operação).
*Os registradores de endereço podem ser agrupados em:
-Ponteiros de segmentos.
-Registradores de indexação.
-Stack Pointer.
Organização dos Registradores
*Registradores de controle e status.
-Contador de Programas (PC): Contem o endereço da instrução a ser lida da memória.
-Registrador de instrução (IR): Contem a instrução que se encontra em execução.
-Registrador de endereço na memória: Contem o endereço de um local da memória.
-Registrador buffer (dados) de memória: contem um dado a ser lido ou escrito na
memória.
-Registrador de Status: através dos bits desse registrador pode-se conhecer o resultado
de determinadas operações ou o estado geral da CPU. Observe alguns exemplos:
a)Sinal : informa o sinal da última operação aritmética realizada.
b)Zero: o bit é setado se o resultado é zero.
c)Carry
d)Overflow: indica overflow aritmético.
e)Igual: o bit é setado se uma operação de comparação retorna igual.
f)Habilitação e Desabilitação de Interrupções
g)Supervisor: indica se a CPU está no modo supervisor ou no modo usuário.
Unidade de Lógica e Aritmética
*Consiste em um conjunto de circuitos eletrônicos responsáveis pela execução integrada
de operações lógicas e matemáticas.
*Os processadores modernos dispõem de mais de uma ULA, a fim de melhorar o
desempenho geral do processador no que se refere ao tempo de execução das instruções:
-Uma ULA específica para realizar cálculos com números fracionários (FPU – Floating Point
Unit).
-Várias ULA’s para realizar cálculos com números inteiros.
Via de regra, quanto maior o número de ULA’s em um processador, maior será seu
desempenho, pois executará as operações de cálculo com mais velocidade.
*A ULA possui duas entradas, visto que esta unidade manipula de um a dois valores por
vez. A saída da ULA é realimentada para a entrada via barramento interno.
*Nos processadores atuais, o barramento interno conduz os bits de resultado DE e PARA
memória cache e depois de volta para a ULA, se necessário.
Unidade de Lógica e Aritmética
*A ULA está ligada a uma série de registradores de dados, que trabalham diretamente
com as tarefas de processamento e que servem como memória auxiliar, armazenando
temporariamente:
-Os dados que serão manipulados pela ULA.
-Os resultados gerados pelas operações matemáticas (aritméticas ou lógicas), a fim de que
os mesmos sejam reutilizados por outras instruções ou transferidos para a memória
principal.
*A ULA também trabalha com registradores
cujas funções são específicas (armazenamento
de dados e de endereços) ou que funcionam
para a área de controle, são chamados
Registradores Especiais de Estado.
*Esses registradores auxiliam e completam
a realização das operações matemáticas
pela ULA, indicando o estado de vários
elementos referentes à operação em si.
Função de Controle
*As funções de controle tem o objetivo de fazer com que o sistema de computacional
entenda o que deve ser feito, como, quando e por qual dispositivo determinada operação
deve ser realizada. Também é responsável por manter a CPUem um estado consistente.
* Para tanto, existe no sistema de computador uma área chamada de Área de Controle
(Unidade de Controle), que realiza as seguintes atividades:
- Busca (ciclo de leitura) e armazenamento, em registrador específico, da instrução a ser
realizada;
- Interpretação das ações desencadeadas a partir da instrução;
(As duas etapas acima compõem o chamado Ciclo de Busca da Instrução (Fetch Cycle)
- Geração e transmissão aos dispositivos apropriados dos sinais de controle que darão
início à execução das atividades referentes à instrução.
(Etapa denominada Ciclo de Execução da Instrução - Execute Cycle)
Dispositivos da Unidade de Controle
*A disposição, quantidade e complexidade dos dispositivos existentes em uma área
funcional varia conforme o modelo do processador, contudo, os dispositivos básicos são:
-Unidade de Controle;
- Decodificador de Instruções;
- Registrador de Instrução (RI);
- Contador de Instrução (CI);
- Relógio (clock);
- Registradores de Endereço de Memória (REM);
-Registradores de Dados de Memória (RDM).
*Unidade de Controle
Através da emissão de sinais de controle esta unidade é capaz de realizar a
movimentação de dados e instruções de e para a CPU.
- Os sinais de controle são emitidos em vários instantes durante o ciclo de instrução.
Normalmente, possuem duração fixa e igual, marcada por um gerador de sinais,
conhecido como relógio (clock).
*Relógio (clock)
Dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada Ciclo de Relógio ou de Máquina.
- Este ciclo consiste no intervalo entre o início de um pulso e o início do pulso seguinte;
- Freqüência é a unidade de medida do relógio, que também define a velocidade do
processador, e determina a quantidade de vezes que o pulso se repete em um segundo;
-A unidade de medida utilizada para medir a freqüência dos relógios é o hertz (Hz), que
significa número de ciclos por segundo.
Ex.: 25 MHz = 25 milhões de ciclos por segundo.
*Registradores de Dados
Servem como memória auxiliar básica da ULA, armazenando temporariamente o
resultado de uma operação aritmética ou lógica para reutilização ou transferência para
memória principal;
- O tamanho dos registradores de dados é, normalmente, igual ao tamanho da palavra.
- A quantidade e o tamanho dos registradores de dados varia conforme o modelo do
processador.
*Registrador de Dados da Memória (RDM):
Armazena temporariamente o conteúdo de uma ou mais células transferido entre MP e
processador.
- O tamanho do registrador de dados corresponde ao tamanho do barramento de dados.
*Registrador de Endereços da Memória (REM):
Armazena o endereço da célula que será acessada (leitura ou gravação) antes que ele seja
repassado à área de controle da MP para decodificação e localização da célula.
-Armazena a mesma quantidade de bits do barramento de endereço.
*Registrador de Instrução (RI):
Armazena a instrução a ser executada pela CPU.
-Ao término de um ciclo de leitura, a instrução desejada será armazenada no RI, via
barramento de dados e RDM.
*Contador de Instrução (CI - PC Counter):
Armazena o endereço da próxima instrução a ser executada pela UCP.
-Assim que o endereço da instrução a ser executada naquele instante é repassado da MP
ao processador (início do ciclo de instrução), o conteúdo do CI é atualizado com o
endereço da próxima instrução.
*Decodificador de Instrução :
Com base na instrução cujo código de operação foi decodificado, este elemento identifica
qual operação deve ser efetuada.
-O decodificador de Instrução tem tantas saídas quantos forem os números de bits
utilizados na representação de uma instrução de máquina.