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CENTRO PAULA DE SOUZA FATEC OURINHOS CURSO DE SEGURANÇA DA INFORMAÇÃO Pedro Henrique Bertani ARQUITETURA DE PROCESSADORES OURINHOS – SP 2020 Pedro Henrique Bertani ARQUITETURA DE PROCESSADORES Trabalho apresentado ao curso de Segurança Da Informação - Fatec de Ourinhos. Professor: Carlos Alberto Pereira OURINHOS - SP 2020 Arquitetura de processadores A arquitetura de processadores descreve o processo detalhado de um processador. Grandes partes dos computadores vêm com identificação e literatura descrevendo o todos os componentes agregados dentro de si, um deles é o processador, nessa identificação contém o modelo do mesmo e sua velocidade. Transístores Desde o primeiro processador da Intel (4004), lançado em 1971, os processadores têm evoluído de uma forma surpreendente. Os processadores marcaram a história por serem o dispositivo que evoluiu mais rápido. Sendo o transístor considerado a invenção do século. Figura 1 Intel 4004 Fonte:https://www.techtudo.com.br/artigos/noticia/2011/11/intel-4004-o-primeiro- processador-da-historia-comemora-40-anos-de-idade.html Os primeiros transístores, criados no início da década de 50, foi construído a mão, e não era nada pequeno. Posteriormente, passaram a construí-los usando outras matérias primas, silício e desenvolveram a litografia óptica, técnica utilizada até hoje. Tais técnicas que permitem alcançar níveis incríveis de miniaturização. A criação do transístor trouxe com ele uma nova geração eletrônica. Comparado as válvulas termiônicas, tecnologia dominante na época, o transístor provou ser mais confiável, necessitando de menos energia e, o crucial, podendo ser miniaturizado a níveis quase microscópios. O primeiro transístor construído tinha aproximadamente 1,5 cm (centímetros), consistia em germânio e ouro. Hoje eles chegam a medir até 45 nm (nanômetros, cerca de 330.000 vezes menores. Figura 2Transístores Fonte:https://www.techtudo.com.br/artigos/noticia/2012/07/transistores-para- principiantes.html O grande segredo para esta evolução ser considerada a tal, foi sua miniaturização que consentiu na criação do circuito integrado, posteriormente o microchip e processadores com cada vez mais transístores e operando a frequência cada vez mais elevadas. Para termos uma ideia, o processador 4004 possuía apenas 2.300 transístores, e operava a 0.7 MHz, já os processadores da nova geração, como i7-6950X (2016), chegam a ter 4,7 bilhões de transístores e operam acima de 3.0 GHz, podendo chegar a 4.0 GHz. Vejamos agora uma tabela com a miniaturização dos transístores: Figura 3Tamanho dos transistores Fonte: https://sites.google.com/site/senai1ifnoite/evolucao-dos-processadores https://sites.google.com/site/senai1ifnoite/evolucao-dos-processadores Sistemas de memorias A execução de um sistema de memória nos processadores é similar a uma pesquisa de livros em uma biblioteca, ou até mesmo os livros já abertos em uma mesa. Como exemplo, supondo que temos vários livros sobre a mesa, se modera o tempo de se locomover até a estante para procurá-lo. Sendo assim, criamos a ilusão de uma memória grande que podemos acessar tão rapidamente quanto uma memória pequena. Esse princípio de localidade nos mostra que os programas acessam uma parte relativamente pequena do seu espaço de endereçamento em qualquer instante do tempo. Vale ressaltar, que existem diferentes tipos de localidade: A memória principal, também chamada de memória real, são memórias que o processador pode endereçar diretamente, sem as quais o computador não pode funcionar. Estas fornecem geralmente uma ponte para as secundárias, mas a sua função principal é a de conter a informação necessária para o processador num determinado momento; esta informação pode ser, por exemplo, os programas em execução. Registradores O processador abrange elementos de memória de pequena capacitação, mas de alta competência em termos de velocidade, usadas para arquivar resultados temporários, designado registradores. O conjunto desses registradores é chamado de banco de registros. Esses registradores são citados explicitamente pelas orientações logicas, aritméticas e de transferência de dados. Existe um registrador especial, contador de programa (PC), que contém o endereço da próxima orientação a ser executada. Um outro registrador, registrador de instrução (IR), contém a orientação que está sendo executada. Ciclo de Busca das Instruções O processador executa um passo-a-passo de suas orientações: • Busca a próxima orientação que está localizada na memória para o registrador de instrução; • Atualiza o apontador de orientações para que ele redirecione a próxima etapa a ser executada; • Determina o tipo de orientação; • Se a orientação faz uso de dados, determina o local arquivado; • Busca os dados, se houver, para os registradores de processos; • Executa orientação; • Arquiva nos locais apropriados; • Volta ao passo primeiro passo para executar a próxima orientação. Unidade Lógica e Aritmética A unidade lógica e aritmética pode realizar diversas operações, entre elas: Adição Subtração Operações lógicas (E, OU, XOR, INVERSÃO) Deslocamento (à esquerda e à direita) Comparação As unidades aritméticas e lógicas mais modernas realizam também as operações de multiplicação e divisão. As operações são realizadas pela leitura de dois registradores fontes do banco de registradores, e com a escrita do resultado no registrador de destino. A unidade lógica e aritmética pode efetivar inúmeras operações, dentre elas: adição, subtração, multiplicação, divisão, operações lógicas (E, OU, XOR, inversão), deslocamento (à esquerda e à direita) e comparação. As execuções são realizadas pela leitura de dois registradores fontes do banco de registradores, e com a escrita do resultado nos registradores de destino. Figura 4 Funcionamento da ULA Fonte:http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp- content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf Figura 5 Design da ULA Fonte:http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp- content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf Tipos de design de ULA Accumulator: Um registrador denominado Accumulator, guarda todas as operações da ULA. Geralmente é utilizado em calculadoras de mão. São difíceis de trabalhar com pipeline, necessita de softwares adicionais. Figura 6 Accumulator Fonte:http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp- content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf Register-to-Register: Uma arquitetura da mais comuns, denominada máquina de três. É compatível com pipeline, software bem simples. Figura 7 Register-to-register Fonte:http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp- content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdfhttp://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf Register stack: É a combinação dos dois acima, accumulator e register-to-register. ALU opera no topo da pilha e o resultado é inserido no topo da pilha. Muitos compiladores dão suporte e fazem o reversepolish com facilidade ao utilizar árvores binárias. É denominada de “O-operand”, ou máquina de endereço zero, pois não precisa especificar a localização da orientação. Figura 8 Register stack Fonte:http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp- content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/novo/wp-content/uploads/2013/11/Unidade-L%C3%B3gica-Aritm%C3%A9tica.pdf Referencias ALMEIDA, Rafael Bruno. Evolução dos Processadores: comparação das famílias de processadores intel e amd. Comparação das Famílias de Processadores Intel e AMD. 2009. Disponível em: https://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2009/T2/089065-t2.pdf. Acesso em: 18 nov. 2020. ARQUITETURA de processadores. 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SENAI4IF: Evolução dos Processadores. Evolução dos Processadores. 2008. Disponível em: https://sites.google.com/site/senai1ifnoite/evolucao-dos- processadores. Acesso em: 17 nov. 2020. UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS - UEA (Amazona). Pró-Inovalab – Itacoatiara. Arquitetura e Organização de Computadores. Disponível em: https://educapes.capes.gov.br/bitstream/capes/206151/2/apostila%20de%20AOC_L uiz%20S%C3%A9rgio.pdf. Acesso em: 17 nov. 2020.