Micro processadores

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Microprocessadores
ATUALIDADEATUALIDADEATUALIDADEATUALIDADE
• As melhorias tecnológicas demandam cada vez mais dispositivos eletrônicos. Assim, a 
cada dia são criados componentes eletrônicos mais versáteis e poderosos. Nessa 
categoria, os microprocessadores, aos quais os microcontroladores pertencem, tem 
alcançado grande desenvolvimento.
• Sua facilidade de uso em amplas faixas de aplicações permite o projeto relativamente 
rápido e fácil de novos equipamentos. Atualmente, os microcontroladores estão 
presentes em quase todos os dispositivos eletrônicos controlados digitalmente, como 
por exemplo: 
• nas casas, em maquinas de lavar, fornos de micro-ondas, televisores, aparelhos de som e 
imagem, condicionadores de ar e telefones; 
• nos veículos, em sistemas eletrônicos de controle de injeção de combustível, controle de 
estabilidade, freios ABS (Anti-lock Braking System), computadores de bordo e GPS (Global 
Positioning System); 
• nos eletrônicos portáteis, em telefones celulares, tocadores de mídia eletrônica, vídeo 
games e relógios; 
• na indústria, em controladores logico programáveis, de motores e fontes de alimentação.
• Em resumo, os sistemas micro controlados encontram-se em todos os segmentos 
eletrônicos, desde simples equipamentos domésticos ate sistemas industriais complexos.
• O desenvolvimento dos microcontroladores se deve ao grande numero de 
funcionalidades disponíveis em um único circuito integrado. Como o seu funcionamento 
e ditado por um programa, a flexibilidade de projeto e de formas de trabalho com um 
hardware especifico são inúmeras, permitindo aplicações nas mais diversas áreas.
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O Nascimento do MicrochipO Nascimento do MicrochipO Nascimento do MicrochipO Nascimento do Microchip
• Apenas treze anos após a invenção do transistor, houve outro grande salto tecnológico, a 
invenção do circuito integrado ou microchip, por Jack S. Kilby da Texas Instruments e 
Robert N. Noyce da Fairchild Semicondutor.
• No verão de 1958, Jack S. Kilby, entrou para a equipe da Texas Instruments, em Dallas, 
E.U.A, onde desenvolveu o primeiro microchip da história, usando componentes ativos 
(transistores, diodos) e passivos (resistores, capacitores) em uma única peça de material 
semicondutor do tamanho de um clips de papel. O sucesso da demonstração de 
laboratório foi o nascimento do primeiro microchip simples da história, em 12 de 
Dezembro de 1958.
• Paralelamente na Fairchild Semicondutor, Robert N. Noyce avançava em suas pesquisas, 
inspirado nas técnicas de mascaramento que empregavam dióxido de silício para a difusão 
de impurezas, e utilizando-se de trilhas de ouro ou alumínio aplicado com ajuda de 
máscara e fotolitográfia, enquanto o processo de Kilby empregava pequenos fios nas 
ligações internas do circuito. 
O Nascimento do MicrochipO Nascimento do MicrochipO Nascimento do MicrochipO Nascimento do Microchip
• A tecnologia evoluiu, e também o número de empresas e em 1962 nasceu à lógica TTL, e 
anos mais tarde a tecnologia MOS (metal-oxide semiconductor), seguida pela CMOS 
(complementary metal-oxide semiconductor), tecnologia atual hoje em dia. Com a 
tecnologia CMOS e a crescente miniaturização do microchip, surgiu em 1974 o primeiro 
microprocessador da história denominado “1802” fabricado pela RCA, seguido pelo 
microprocessador de 4 bits da Texas Instruments, o TMS1000.
• A eletrônica digital baseia-se em tensão (definido como 1) e ausência de tensão (definido 
como 0) onde o nível alto ou 1 é de 5 volts ou 2/3 da fonte e o nível 0 é zero volt ou um 
pouco acima, portanto, para a eletrônica digital somente importa o nível alto ou baixo. 
• Com esta ótica as indústria desenvolveram blocos com a união de centenas de 
transistores para realização de uma tarefa específica denominando-se circuito integrado. 
A evolução da tecnologia
A evolução da tecnologia
Ábaco
Calculadora De Pascal
A evolução da tecnologia
Máquina Diferencial De Babbage Eniac
A evolução da tecnologia
Cartão perfurado e Fita
Herman Hollerith
Evolução de sistemas eletrônicos
• Conforme as tecnologias para produção de componentes eletrônicos 
avançavam, os computadores eletrônicos tornavam-se cada vez mais 
compactos e poderosos, já na década de 70 esse avanço chegou a tal 
ponto que foi possível, a partir da ideia do Dr. Marian Hoff, um dos 
primeiros funcionários da Intel, a criação do primeiro dispositivo 
eletrônico capaz de ser programado para a realização de diversas 
tarefas e controles, nascia ali o primeiro microprocessador, 
componente que revolucionaria a história da eletrônica devido sua 
versatilidade, rapidez e precisão, podendo controlar qualquer tipo de 
sistema ou processo.
Microprocessadores
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• Com a evolução da microeletrônica, o nível de miniaturização e o 
numero de funcionalidades dos circuitos integrados evoluíram, 
permitindo o desenvolvimento de circuitos compactos e 
programáveis. Assim, surgiram os primeiros microprocessadores.
• Um microprocessador e um circuito integrado composto por 
inúmeras portas logicas, organizadas de tal forma que permitem a 
realização de operações digitais, logicas e aritméticas. Sua operação e 
baseada na decodificação de instruções armazenadas em uma 
memoria programável. A execução das instruções e ditada por um 
sinal periódico (relógio - clock).
• Por exemplo, nos primeiros elevadores automatizados, era utilizada 
lógica de relê, onde o sistema de controle era pouco flexível e 
relativamente complexo, consumindo muita energia e aumentando o 
custo de implementação. 
• Com a utilização de microprocessadores e microcontroladores, os 
elevadores passaram a ser mais "inteligentes", pois com estes 
sistemas puderam ser implementados recursos mais complexos já 
que o esforço de projeto passou para o programa (software), 
deixando a eletrônica (hardware) muito mais simples e barata.
• Com os microprocessadores também surgiram os primeiros 
microcomputadores pessoais (PCs).
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Componentes de um sistema microprocessado:
• Um microprocessador; 
• Memória ROM (onde fica gravado o programa principal);
• Memória RAM (utilizada como memória de rascunho pelo programa 
executado);
• Periféricos - Entrada e Saída (são os dispositivos conectados ao 
sistema, geralmente sensores e atuadores) ;
• Barramento (fios ou trilhas condutoras dos pulsos elétricos que 
permitem a interconexão dos componentes acima) ;
• Circuito gerador de CLOCK (como o nome sugere, é um circuito que 
gera um sinal cíclico em uma determinada frequência de tempo) .
MICROPROCESSADORESMICROPROCESSADORESMICROPROCESSADORESMICROPROCESSADORES
Como podemos observar, mesmo um sistema microprocessado possui 
uma série de componentes necessários, dispostos em vários CIs e 
interligados por condutores paralelos que constituem o barramento.
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MICROPROCESSADORESMICROPROCESSADORESMICROPROCESSADORESMICROPROCESSADORES
� O oscilador é responsável pela geração do sinal síncrono de clock, 
o qual faz com que o microprocessador funcione. O coração do 
sistema e a Unidade Central de Processamento (CPU – Central 
Processing Unit), a qual realiza as operações logicas e aritméticas 
exigidas pelo programa. 
� O processador dispõe de duas memorias: uma, onde esta o 
código de programa a ser executado (externa ao chip); e outra, 
temporária, onde são armazenados informações para o trabalho 
da CPU (memoria de dados). 
� A CPU pode receber e enviar informações ao exterior através da 
sua interface de entrada e saída. As informações dentro do 
microprocessador transitampor barramentos, cuja estrutura 
depende da arquitetura empregada.
Para ler a memória de programa, a CPU possui um contador de 
endereços (PC – Program Counter) que indica qual posição da 
memória deve ser lida. Após a leitura do código no endereço 
especificado, o mesmo é decodificado e a operação exigida e 
realizada. O processo se repete indefinidamente de acordo com 
o programa escrito.
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Unidades básicas de um Microprocessador:
Unidade Lógica Aritmética (ULA) - responsável pela realização das 
operações lógicas e aritméticas.
Unidade de Controle (UC) - responsável pela decodificação e 
execução das instruções, fornecendo os sinais de temporização 
adequados para as diversas partes do processador.
Registradores - armazenamento da Informação Binária (dados, 
endereços e instruções).
• Arquitetura de um sistema digital define quem são e como as partes 
que compõe o sistema estão interligadas. 
• As duas arquiteturas mais comuns para sistemas computacionais 
digitais são as seguintes:
• Von-Neumann
• Harvard
• Objetivo básico de qualquer arquitetura de microprocessador:
aumentar o desempenho do processador reduzindo o tempo de 
execução de tarefas.
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• A arquitetura Von-Neumann, onde existe apenas um barramento 
interno por onde circulam dados e instruções;
• A arquitetura Harvard, caracterizada por dois barramentos internos, 
um de instruções e outro de dados. 
� Na arquitetura Von-Neumann, a busca de dados e instruções não 
pode ser executada ao mesmo tempo (gargalo da arquitetura), 
limitação que pode ser superada com a busca antecipada de 
instruções (pipeline) e/ou com caches de instruções/dados.
� Já na arquitetura Harvard, os dados e instruções podem ser acessados 
simultaneamente, o que torna essa arquitetura inerentemente mais 
rápida que a Von-Neumann.
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Portanto:
• A arquitetura Von Neummann caracteriza-se pelo fato de haver um 
único barramento interno que serve tanto para dados quanto para 
programa. Apenas uma tarefa pode ser executada em um dado 
instante
• Já na arquitetura Havard, o problema de executar somente uma 
tarefa em um dado instante não existe, pois existem dois 
barramentos separados, sendo uma para dados e outro para 
programa. 
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� Por sua vez, quanto ao conjunto de instruções, os microprocessadores 
são classificados em duas arquiteturas: 
� Computadores com Conjunto Complexo de Instruções (CISC –
Complex Instructions Set Computers) e
� Computadores com Conjunto Reduzido de Instruções (RISC –
Reduced Instructions Set Computers). 
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� A arquitetura RISC utiliza um conjunto de instruções simples, pequeno e 
geralmente com extensão fixa. 
� Semelhante a RISC, a arquitetura CISC utiliza um conjunto simples de 
instruções, porém utiliza também instruções mais longas e complexas, 
semelhantes as de alto nível, na elaboração de um programa. 
� As instruções CISC são geralmente variáveis em extensão. 
� Assim, a arquitetura RISC necessita de mais linhas de código para 
executar a mesma tarefa que uma arquitetura CISC, a qual possui muito 
mais instruções.
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� Muitas literaturas associam a arquitetura Von-Neumann com a 
arquitetura CISC e a arquitetura Harvard com a arquitetura RISC. A 
provável razão de tal associação e o fato de muitos 
microprocessadores com arquitetura Von-Neumann serem CISC e 
muitos microprocessadores Harvard serem RISC. Entretanto, a 
arquitetura CISC e RISC não são sinônimos para as arquiteturas Von-
Neumann e Harvard, respectivamente.
� Por exemplo:
� O nucleo ARM7 e Von-Neumann e RISC.
� O PowerPC e um microprocessador RISC puro, Harvard 
internamente e Von-Neumann externamente.
� O Pentium-Pro e um microprocessador RISC e Harvard 
internamente e Von-Neumann e CISC externamente.
ExemploExemploExemploExemplo
� A figura a seguir é empregada para exemplificar a 
diferença entre as duas arquiteturas supracitadas 
para um microprocessador hipotético de 8 bits.
� O objetivo e multiplicar dois números contidos 
nos endereços 0 e 3 da memoria de um 
microprocessador hipotético e armazenar o 
resultado de volta na posição 0.
• Em microprocessadores CISC, o objetivo e executar a tarefa com o menor 
numero de códigos possíveis (assembly). Assim, um microprocessador 
CISC hipotético poderia ter a seguinte instrução: 
MULT 0,3 //multiplica o conteúdo do endereço 0 com o do endereço 3
//armazena o resultado no endereço 0.
• Para um microprocessador RISC, a resolução do problema seria feita por 
algo como:
LOAD A,0 //carrega o registrador A com o conteúdo do endereço 0
LOAD B,3 //carrega o registrador B com o conteúdo do endereço 3
MULT A,B //multiplica o conteúdo de A com o de B, o resultado fica em A
STORE 0,A //armazena o valor de A no endereço 0
• O microprocessador RISC emprega o conceito de carga e 
armazenamento (Load and Store) utilizando registradores de uso 
geral. Os dados a serem multiplicados necessitam primeiro ser 
carregados nos registradores apropriados (A e B) e, 
posteriormente, o resultado e armazenado na posição de 
memoria desejada (0). Em um microprocessador CISC, o dado 
pode ser armazenado sem a necessidade do uso explicito de 
registradores.
• Esse conceito também pode ser visto quando se deseja escrever 
diretamente nos pinos de saída do microprocessador. 
Considerando que se deseja alterar os níveis lógicos (0 e 1) entre 8 
pinos do microprocessador, expressos pela variável P1, o código 
resultante seria:
CISC:
MOV P1,0xAA //escreve diretamente nos 8 pinos (P1) o valor binário 10101010
RISC:
LOAD A,0xAA //carrega o registrador A com o valor binário 10101010
OUT P1,A //escreve o valor de A nos 8 pinos (P1)
• Em um microprocessador RISC, antes de serem movidos para outro 
local, os valores sempre precisam passar pelos registradores de uso 
geral, por isso a caracterização da arquitetura como Load and Store.
• Apesar dos microprocessadores RISC empregarem mais códigos para 
executar a mesma tarefa que os CISCs, ele são mais rápidos, pois 
geralmente executam uma instrução por ciclo de clock, ao contrário 
dos CISCs, que levam vários ciclos de clock. Todavia, o código em um 
microprocessador RISC será maior.
• Os processadores RISC empregam mais transistores nos 
registradores de memória, enquanto que os CISC fazem 
uso de um grande numero deles no seu conjunto de 
instruções.
• O emprego de registradores nas operações de um 
processador RISC é uma vantagem, pois os dados podem 
ser utilizados posteriormente sem a necessidade de 
recarga, reduzindo o trabalho da CPU.
O aumento de desempenho (velocidade de 
processamento) de processadores está relacionado com 
os seguintes aspectos:
• Aumento de clock
• Aumento do número interno de bits 
• Aumento do número externo de bits 
• Redução do número de ciclos para executar cada 
instrução
• Aumento da capacidade e velocidade da memória 
cache 
• Execução de instruções em paralelo
Índice de Desempenho de Processadores
Índice de Desempenho de Processadores
Aumento de clock
O sinal de clock é responsável pelo sincronismo entre as unidades de 
processamento internas ao microprocessadore pelas unidades 
externas. Quanto maior a frequência de clock mais rápido o 
processamento. No entanto, não se pode aumentar de forma 
indefinida essa frequência. Isso pode causar falhas de processamento e 
sobreaquecimento. O aumento depende de pesquisas com o objetivo 
de reduzir o tamanho dos componentes básicos do microprocessador e 
aumento da quantidade de componentes, sem perda de estabilidade 
no funcionamento.
Índice de Desempenho de Processadores
Aumento do número interno de bits 
Uma maior quantidade de bits dos registradores e dos 
barramentos internos permite a movimentação de uma maior 
quantidade de dados por unidade de tempo, aumentando o 
desempenho do microprocessador. 
Aumento do número externo de bits
Um número maior de bits externos permite a movimentação de 
uma maior quantidade de dados por unidade de tempo com os 
periféricos, tais como memória, unidade de entrada e saída, 
controlador de acesso direto à memória (DMA).
Índice de Desempenho de Processadores
Redução do número de ciclos para executar cada instrução 
A execução de uma instrução normalmente é feita em duas 
etapas: busca (onde a instrução é transferida da memória para a 
unidade de decodificação) e execução (onde os sinais de controle 
ativam, em uma sequência lógica, todas as unidades envolvidas 
na execução).
Índice de Desempenho de Processadores
Aumento da capacidade e velocidade da memória cache 
O aumento de velocidade de processamento dos microprocessadores tem 
sido muito maior do que o aumento da velocidade de acesso à memória 
principal. Assim, a velocidade de acesso à memória principal torna-se um 
limitador de desempenho dos processadores. Em razão desse problema foi 
criada a memória cache. A memória cache (constituída de memória RAM 
estática) é usada para acelerar a transferência de dados entre a CPU e a 
memória principal (constituída de RAM dinâmica, de menor volume, 
porém mais lenta). O aumento da capacidade e da velocidade da memória 
cache resulta no aumento da velocidade de transferência de dados entre a 
CPU e a memória principal e, consequentemente, resulta no aumento do 
desempenho global do sistema.
Índice de Desempenho de Processadores
Execução de instruções em paralelo 
O microprocessador 8085 compartilha um barramento comum 
entre suas unidades internas e seus periféricos, o que significa dizer 
que não permite a execução simultânea de duas operações que 
utilizem o barramento. Assim, apenas uma instrução é executa por 
vez. Uma arquitetura que permita que duas ou mais operações 
sejam executadas simultaneamente torna o processamento mais 
rápido.
Número de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um Microprocessador
• O número de transistores num único microprocessador é um dos 
indicadores da evolução acentuada nessa área nos últimos anos. Dr. 
Gordon E. Moore, co-fundador da Intel, afirmou em 1965 que o 
número de transistores em um microprocessador dobraria a cada 
dois anos. O gráfico e a tabela a seguir confirmam a previsão de 
Moore nos últimos 30 anos.
Número de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um Microprocessador
Número de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um Microprocessador
• A quantidade cada vez maior de transistores numa única pastilha foi 
acompanhada da redução do tamanho físico dos transistores. 
• A redução do tamanho do transistor resulta no aumento da 
velocidade de operação e também na redução das conexões internas, 
além de permitir a inserção de um número cada vez maior de 
transistores numa única pastilha.
• O aumento da capacidade de integração de transistores resulta ainda 
na redução do consumo de energia elétrica e do custo dos 
microprocessadores. 
• Há um postulado que diz que o gate de um transistor não pode ser 
menor do a largura correspondente a 10 átomos.
Número de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um MicroprocessadorNúmero de Transistores em um Microprocessador
• A Lei de Moore - com alguns pequenos ajustes aqui e ali - tem 
correspondido à realidade, mas segundo especialistas, como Carl 
Anderson da empresa de tecnologia IBM, ela não será válida para 
sempre, esbarrando nas limitações do silício em trabalhar com 
estabilidade. 
Conceitos básicos
Bit: (Binary Digit - 0 ou 1) - Menor informação digital possível;
Byte: Um termo especial, usado para designar palavra de oito bits. É a 
unidade básica de dados nos computadores, que também utilizam alguns 
múltiplos de 8, tais como 16 bits (Word) e 32 bits (Dword).
Nibble, Word, Dword: Palavra digital composta de 4, 16, 32 bits, 
respectivamente.
Bit
Nibble
Byte
Word
0
0000
0000 0000
0000 0000 0000 0000
Registradores: conjunto de flip-flops para Armazenamento 
temporário de dados- 8 bits, 16 bits, 32 bits, etc. São usados para o 
armazenamento interno da CPU. Existem diversos registradores na 
CPU e o principal deles é chamado de Acumulador.
Instrução: Comando específico de um microprocessador
(movimentação de dados, operações aritméticas e lógicas, etc.);
Programa: Sequência lógica de instruções que podem ser
reconhecidas pelo microprocessador, que quando executadas em
uma ordem correta, resulta na finalização de uma função ou
algoritmo
Set de Instruções:
Conjunto de Instruções - Conjunto de Mnemônicos (siglas 
que fazem lembrar uma ação) que representam todas as 
instruções do processador. Cada processador possui o seu 
set de instruções particular. O microprocessador 8085 possui 
74 instruções. 
BIOS Basic Input/Output System 
É o conjunto mínimo de instruções necessárias para a 
inicialização do computador. Também gerencia o fluxo de 
dados entre o sistema operacional do computador e os 
dispositivos periféricos conectados.
O tamanho das linhas que compõem o barramento é que 
determina se o processador é de 8, 16, 32 ou até mais bits. 
Quando falamos, por exemplo, que um processador é de 
64 bits. Estamos falando que o barramento de dados que 
liga a CPU à memória de dados tem 64 linhas.
Hollerith e o escritório automatizado de censo
Herman Hollerith (1860-1929), um inventor americano, tinha trabalhado no
censo de 1880 e sabia muito bem da dificuldade de classificar os resultados.
Ele ficou intrigado com a idéia de que uma máquina de classificação pudesse
obter resultados de maneira mais rápida. Como Babbage, Hollerith obteve
inspiração nos cartões de tecelagem de Jacquard. Ele desenvolveu um plano
para codificar as respostas ás perguntas do censo em cartões perfurados.
O Eniac
A Segunda Guerra Mundial criou no exército americano a necessidade de calcular rapidamente as 
trajetórias dos mísseis. Embora autorizado pelo exército para ser utilizado na guerra, o ENIAC 
não foi concluído até 1946, depois do término da guerra,fosse principalmente utilizado para 
resolver problemas matemáticos desafiantes.
O ENIAC era um computador digital programável e não uma calculadora eletrônica. Mil vezes mais 
rápido que qualquer calculadora existente, o ENIAC dominava a imaginação do público depois que as 
reportagens nos jornais o descreveram como um “cérebro eletrônico”. O ENIAC levou apenas 30 
segundos para calcular as trajetórias que teriam requerido 40 horas de cálculos manuais.
Exercícios
1. Qual a diferença entre memória não-volátil para uma volétil?
2. Quais os tipos de memórias voláteis que existem? Quais os tipos de memória não-voláteis que existem?
3. Qual a finalidadeda memória cache?
4. O que é microprocessador? Qual a sua finalidade? Dê exemplos de microprocessadores?
5. O que caracterizou “A loucura de Babbage”?
6. Compare as arquiteturas Von Neumenn e Havard.
7. O que é o ciclo de máquina?
8. Fale sobre a Unidade Lógica Aritmética.
9. O que são os osciladores?
10. Como os indicadores abaixo contribuem para o aumento do desempenho de um processador?
(a) aumento da frequência de clock;
(b) Aumento da capacidade de memória cache;
(c) processamento paralelo de instruções.
11. Diferencie bit, nibble e byte.
12. Qual a diferença entre linguagem de alto nível e linguagem de máquina?
13. O código ASCII foi criado em 1963,para que ele era utilizado?
14. Qual o grande feito do Inglês George Boole?
15. Fale sobre a lei de Moore. Quais são os desafios atuais?