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ARQUITETURA DE COMPUTADORES Processadores Carlos Mágno CAMPUS GARANHUNS • 1 – Anatomia Computador • 2 – Unidades de Medida e Eletrônica • 2.1 - Sistemas de Numeração • 3 – Processadores • 4 – Barramentos • 5 – Memorias • 6 – Discos • 7 – PlacaMae • 8 – FontesEletricidade • 9 – Impressoras Arquitetura de Computadores - Mágno 2 PAUTA 11/10/2019 • O processador, também chamado de Unidade Central de Processamento ou Central Processing Unit (CPU), é o principal componente de um sistema computacional, responsável por realizar todas as operações do computador e controlar sua execução. Arquitetura de Computadores - Mágno 3 Unidade central de processamento 11/10/2019 • O processador é capaz de realizar algumas operações primitivas (MONTEIRO, 2007): • A) Operações aritméticas e lógicas– somar, subtrair, multiplicar, dividir e realizar comparações de números. • B) Operações de movimentação de dados– mover um dado de um local de armazenamento para outro. • C) Operações de entrada ou saída – transferir um valor para um dispositivo de saída ou de um dispositivo de entrada para o processador Arquitetura de Computadores - Mágno 4 Unidade central de processamento 11/10/2019 • O processador é responsável por buscar e executar as instruções existentes na memória, as quais determinam as operações que o computador deve realizar. • Essas instruções primitivas são denominadas instruções de máquina e, quando agrupadas, formam os programas. Arquitetura de Computadores - Mágno 5 Unidade central de processamento 11/10/2019 • O processador ou microprocessador é responsável por executar instruções de máquina; • Cada instrução é formada por uma sequência de bits , como esta: 00000001 0010 0001, que é uma instrução de soma do processador Intel 80386; 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 6 Unidade central de processamento • O processador realiza constantemente as seguintes operações (STALLINGS, 2010): A. Buscar instrução – o processador busca na memória a instrução a ser executada. B. Interpretar a instrução– a instrução é decodificada para determinar a ação que deve ser executada. C. Obter os dados– a execução da instrução pode necessitar a leitura de dados da memória ou dos dispositivos de entrada. D. Processar os dados– a execução da instrução pode necessitar de alguma operação aritmética ou lógica com os dados. E. Gravar os dados – a execução da instrução pode requerer a gravação dos dados na memória ou em um dispositivo de saída. Arquitetura de Computadores - Mágno 7 Unidade central de processamento 11/10/2019 • É possível encontrar vários processadores em um computador • CPU • Uso geral porque consegue executar diversos tipos de programas; • GPU (Graphics Processing Unit ou Unidade Gráfica de Processamento); • Processador gráfico encontrado nas placas de vídeo aceleradoras 3D Arquitetura de Computadores - Mágno 8 Unidade central de processamento 11/10/2019 • Um processador possui basicamente os seguintes componentes: • Unidade de controle. • Unidade lógica e aritmética. • Registradores. • Memória Cache* • Barramentos*. Arquitetura de Computadores - Mágno 9 Componentes do processador 11/10/2019 • A unidade de controle do processador é responsável por realizar a interpretação das instruções de máquina a serem executadas pelo computador, e ainda, pela transferência de dados e instruções para dentro e para fora da CPU. • Ela controla todas as ações a serem realizadas pelo computador, garantindo a correta manipulação dos dados e execução dos programas. Arquitetura de Computadores - Mágno 10 Componentes do processador 11/10/2019 • A unidade lógica e aritmética é responsável por, efetivamente, processar as informações através da realização de cálculos e comparações. Arquitetura de Computadores - Mágno 11 Componentes do processador 11/10/2019 • Os registradores são posições de memória dentro do processador responsáveis por armazenar, temporariamente, os valores (dados) que estão sendo processados e algumas informações de controle necessárias para o processamento. Arquitetura de Computadores - Mágno 12 Componentes do processador 11/10/2019 • O Registrador é um dispositivo de armazenamento de dados existente dentro do processador; • Tamanho do registrador é medido em bits, variando de 32 a 256 bits nos processadores atuais; • Conjunto de todos os registradores forma uma memória interna do processador, de alta velocidade, mas de baixa capacidade se comparada com outras memórias (cache, principal, disco rígido, CD); Arquitetura de Computadores - Mágno 13 Componentes do processador 11/10/2019 • Os registradores podem ser: • De uso geral– podem ser usados para uma variedade de funções pelo programador. São divididos em 2 grupos podendo armazenar dados ou endereços de memória. • Contador de programas (PC – Program Counter) – contém o endereço de uma instrução a ser lida • Registrador da instrução (IR – Instruction Register) – contém a instrução lida mais recentemente. • Registrador de endereço de memória (MAR – Memory Address Register) – contém o endereço de uma posição de memória. Arquitetura de Computadores - Mágno 14 Componentes do processador 11/10/2019 • Os registradores podem ser: • Registrador de buffer de memória (MBR – Memory Buffer Register) – contém um valor (dado) para ser escrito na memória ou o valor lido mais recentemente. • Flags ou estado do programa(PSW – Program Status Word) – contém a informação do estado do programa e da última operação lógica ou aritmética. Arquitetura de Computadores - Mágno 15 Componentes do processador 11/10/2019 • A Memória Cache é uma memória intermediária entre a memória principal (RAM) e os registradores do processador; • Ela é dividida em níveis LX (level X), onde X é um número natural; • Ex: Cache L1, Cache L2. • Geralmente as caches L1 e L2 estão embutidas (on- chip ou on-die) no chip do processador; • Aumento de custo; Arquitetura de Computadores - Mágno 16 Componentes do processador 11/10/2019 • Evolução dos Sistemas Computacionais • Memória RAM x Processador; • Exemplo (computador hipotético): Realizar uma soma, e ir buscar os operando na memória gasta de 60 s e para o processador obter o resultado 3s. Arquitetura de Computadores - Mágno 17 Componentes do processador HENNESY, 2009 11/10/2019 • Surgiu quando a memória RAM não estava mais acompanhando o desenvolvimento do processador. Então, ela foi introduzida próximo ao processador para guardar os dados mais importantes, e os usados mais frequentemente, ou por determinados programas, quando são executados. • Sem esta memória, o desempenho dos computadores atuais cairia em mais de 95%, devido a limitação de velocidade da memória RAM. Arquitetura de Computadores - Mágno 18 Componentes do processador 11/10/2019 • Barramento, é o conjunto de sinais digitais que conduzem a informação entre o processador (CPU) e as diversas placas, memórias e periféricos. • É um subsistema que permite a transferência de dados e energia entre componentes dentro do computador ou entre computadores. Ao contrário de uma ligação ponto-a-ponto, esta permite que vários periféricos se liguem usando o mesmo conjunto de ligações • Um barramento é apenas um “caminho” através do qual dados viajam num computador. Esse caminho é usado para comunicação entre dois ou mais elementos do computador Arquitetura de Computadores - Mágno 19 Componentes do processador 11/10/2019 • Podem ser: A. Barramento de dados– através dele trafegam os dados que são transmitidos ou recebidos pelo processador. Os dados transmitidos podem ser enviados para a memória ou para um dispositivo de saída. Eles podem também ser recebidos da memória, ou de um dispositivo de entrada. B. Barramento de endereços– é utilizado pelo processador para especificar qual é a posição de memória a ser acessada ou qual é o dispositivo de E/S a ser ativado. C. Barramentode controle– é utilizado para definir se a operação a ser realizada é uma leitura ou gravação na memória ou num dispositivo de E/S, entre outras funções de controle. Arquitetura de Computadores - Mágno 20 Componentes do processador 11/10/2019 • Clock interno, que é a velocidade com que o processador executa as operações internamente. Ou uma série de pulsos eletrônicos que servem para o sincronismo do computador, orientando o ritmo do fluxo de troca de informações no processador. • Unidade de medida em hertz (Hz) – megahertz (milhões de ciclos por segundo) e gigahertz. • Vale ressaltar que o clock não é o único responsável pela velocidade do computador, outros pontos (como interface de memória, quantidade de cache, arquitetura). • Clock externo, também chamado de clock do barramento ou FSB (Front Side Bus), que é a velocidade na qual o processador comunica-se com a memória RAM e demais componentes do micro computador. Na Intel (HyperTransport ou QuickPath Interconnect). Arquitetura de Computadores - Mágno 21 Componentes do processador 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 22 Componentes do processador Organização genérica de um processador Clock Interno x Clock Externo 11/10/2019 • O tempo de ciclo de máquina pode ser medido pelo número de instruções executadas em um segundo. • MIPS (milhões de instruções por segundo): é uma medida de velocidade para computadores de todos os tamanhos. • O tempo em que ocorre um ciclo de máquina é também medido em nanossegundos e picossegundos. Arquitetura de Computadores - Mágno 23 Tempo de clico de máquina 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 24 Execução de Instruções 11/10/2019 • Durante a fase de projeto e construção de uma CPU, os projetistas devem decidir como os circuitos eletrônicos vão executar as instruções dos programas. Conceitualmente, há duas formas de implementar as instruções (PATTERSON; HENNESSY, 2005): 1. Implementação monociclo 2. Implementação multiciclo Arquitetura de Computadores - Mágno 25 Implementação da CPU 11/10/2019 • Implementação monociclo – nessa abordagem, cada instrução é executada completamente num único ciclo de clock. • Como existem diferentes tipos de instruções, com diferentes tempos de execução, fica padronizado aquela com o maior tempo de execução. Uma operação completa de busca-decodifica-executa é realizada num único ciclo de clock. • Como esse tipo de implementação gera desperdício de tempo nas instruções mais rápidas, além de exigir mais hardware para sua implementação, não tem sido utilizada atualmente. Arquitetura de Computadores - Mágno 26 Implementação da CPU 11/10/2019 • Implementação multiciclo– nessa abordagem, a CPU é dividida em diferentes estágios e cada um deles é executado num único ciclo de clock. • Com estágios menores, o tempo do ciclo de clock pode ser menor. Como as diferentes instruções requerem quantidades de estágios diferentes, algumas instruções podem ser processadas em menos tempo. • Existe pelo menos um estágio para cada uma das operações de busca, decodificação, acesso à memória, operação com a ULA e acesso aos registradores. Essa implementação exige menos hardware para sua implementação, pois um mesmo componente de hardware pode ser usado em diferentes estágios. Arquitetura de Computadores - Mágno 27 Implementação da CPU 11/10/2019 • Quando um processador é desenvolvido, ele disponibiliza o conjunto de instruções (linguagem) que pode ser usado pelos programadores para escrever os programas. • De acordo com o tipo de instrução, um processador pode ser (STALLINGS, 2010): • Complex Instruction Set Computer (CISC) • Computador com Conjunto de Complexo de Instruções • Reduced Instruction Set Computer (RISC) • Computador com Conjunto Reduzido de Instruções Arquitetura de Computadores - Mágno 28 Implementação da CPU 11/10/2019 • CISC – esse tipo de processador possui um conjunto complexo de instruções e é capaz de executar centenas de instruções complexas diferentes. • Esses processadores se baseiam na microprogramação, que é um conjunto de códigos de instruções que são gravados no processador. Dessa forma, ao receber a instrução de um programa o processador a executa utilizando as instruções contidas na sua microprogramação. • Cada instrução do programa corresponde a várias instruções mais próximas do hardware, contidas no microcódigo do processador. Arquitetura de Computadores - Mágno 29 Implementação da CPU 11/10/2019 • RISC – esse tipo de processador disponibiliza um conjunto simples e pequeno (reduzido) de instruções, que levam aproximadamente a mesma quantidade de tempo para serem executadas. • Esses processadores não têm microprogramação e cada instrução do programa é executada diretamente pelo hardware. Como essa arquitetura não tem microcódigo, ela apresenta um baixo nível de complexidade. • As instruções não contempladas (para execução) são executadas como combinações das instruções existentes. Com isso, consegue-se desempenho até 50 % a 75 % superior à de um processador CISC. Arquitetura de Computadores - Mágno 30 Implementação da CPU 11/10/2019 • Apesar dos fabricantes ainda venderem seus chips como sendo processadores RISC ou CISC, não existe praticamente nenhum processador atualmente que siga estritamente uma das duas filosofias, combinando características das duas arquiteturas, por questões de desempenho. • Originalmente todos os processadores Intel e AMD para os PCs eram puramente CISC enquanto que os processadores dos Macintosh e video games eram RISC. Arquitetura de Computadores - Mágno 31 Implementação da CPU 11/10/2019 • Atualmente, os processadores Intel e AMD continuam disponibilizando para os programadores um conjunto de instruções CISC, porém, internamente são implementados como se fossem RISC, com diversos estágios para transformar as instruções CISC dos programas em instruções semelhantes às instruções RISC para serem executadas pelo hardware. • Os consoles de video game usam processadores RISC, com o Xbox e o Wii utilizando processadores PowerPC e o PlayStation 3 usando um processador Cell. Arquitetura de Computadores - Mágno 32 Implementação da CPU 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 33 Implementação da CPU 11/10/2019 Arquitetura RISC × arquitetura CISC Arquitetura RISC Arquitetura CISC Poucas instruções Muitas instruções Instruções executadas pelo hardware Instruções executadas por microcódigo Instruções com formato fixo Instruções com diversos formatos Instruções utilizam poucos ciclos de máquina Instruções utilizam múltiplos ciclos Instruções com poucos modos de endereçamento Instruções com diversos modos de endereçamento Arquitetura com muitos registradores Arquitetura com poucos registradores • Os processadores têm apresentado uma evolução constante no desempenho, especialmente devido à miniaturização dos componentes. Isso tem permitido produzir processadores mais rápidos, menores e com menor custo, logo mais acessível; • Desde a década de 1960, o desempenho e o número de transistores que formam o processador, dobra a cada 18 ou 24 meses, de acordo com a Lei de Moore (MOORE, 1965). Arquitetura de Computadores - Mágno 34 Evolução dos processadores 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 35 Evolução dos processadores 11/10/2019 • Em 1965, Gordon Moore, cofundador da Intel, publicou um artigo constatando que a miniaturização dos componentes estava permitindo dobrar o número de transistores em circuitos integrados a cada ano. Essa tendência deveria se manter por pelo menos mais 10 anos. Em 1975, a previsão foi atualizada, profetizando que o número passaria a dobrar a cada 24 meses. Isso ficou conhecido como a Lei de Moore Arquitetura de Computadores - Mágno 36 Evolução dos processadores 11/10/2019 • Originalmente, a Lei de Moore (MOORE, 1965) não se referia ao desempenho, mas apenas ao númerode transistores em processadores, módulos de memória e outros circuitos. Entretanto, a sofisticação dos circuitos tem uma relação direta com o desempenho; • Além disso, novas técnicas de fabricação permitem também aumentar o clock, aumentando a quantidade de instruções executadas por segundo. Arquitetura de Computadores - Mágno 37 Evolução dos processadores 11/10/2019 • A busca por aumento no desempenho dos processadores é constante. As principais evoluções nos processadores para obter um maior desempenho são através das seguintes técnicas: • a) Aumento do clock (overclocking); • b) Aumento no número de bits da CPU; • c) Aumento na capacidade de endereçamento; • d) Utilização de memória cache; • e) Utilização de pipelines; • f) Utilização de arquitetura escalar e superescalar; • g) Utilização de arquitetura vetorial; • h) Utilização de arquitetura VLIW; • i) Utilização de Multithreading Simultâneo(SMT); • j) Utilização de multicore; • k) Incorporação da Unidade de Processamento Gráfico (GPU) na CPU. Arquitetura de Computadores - Mágno 38 Evolução dos processadores 11/10/2019 • Permite executar mais instruções por segundo, pois é o clock que determina o ritmo de execução das instruções e transferências dos dados. Porém, o aumento de clock gera mais calor e maior consumo de energia. • Underclock: alteração para fazer o processador funcionar abaixo da frequência padrão. Esse método é utilizado por usuários que não necessitam de tanta potência e desejam economizar a bateria do dispositivo em questão. Arquitetura de Computadores - Mágno 39 a) Aumento do clock (overclocking); 11/10/2019 • A tecnologia Turbo Boost da Intel promete aumentar a velocidade do processador automaticamente da linha Core i5 e Core i7. • Os processadores da Intel utilizam o Turbo Boost, que aplica uma série de ferramentas de controle e de eficiência para obter melhores resultados. • – Se o processador detectar que está abaixo de sua capacidade, temperatura ou limites, o Turbo Boost aumenta a frequência do clock para melhorar o desempenho dos núcleos ativos. Arquitetura de Computadores - Mágno 40 a) Aumento do clock (overclocking); 11/10/2019 • Aumentar o número de bits de dados num processador permite aumentar a capacidade de armazenamento, transporte e processamento de dados na CPU. Na maioria dos processadores atuais, tais circuitos operam com 64 bits de cada vez. • Normalmente encontramos CPUs de 16, 32 ou 64 bits. Arquitetura de Computadores - Mágno 41 b) Aumento no número de bits da CPU 11/10/2019 • Aumentar a capacidade de endereçamento de memória não está exatamente relacionado com o desempenho, e sim, com a capacidade de manipular grandes quantidades de dados, aumentando o volume de dados que pode ser processado. • Exemplo: 32 bits = 232 = 4294967296 bit = 4GB de dados podem ser manipulados. • Se fosse 31 bits ? Arquitetura de Computadores - Mágno 42 c) Aumento na capacidade de endereçamento 11/10/2019 • Como o desempenho da memória principal (RAM) é bem inferior ao desempenho da CPU, foi necessário criar uma hierarquia de memória com uma memória cache implementada normalmente na própria CPU. • Essa memória armazena uma cópia das instruções e dados recentemente usados e próximos aos recentemente usados. • Desta forma, quando a CPU precisar acessar os dados verifica primeiro se a cópia que está na cache contém os dados necessários, minimizando o acesso à memória RAM. Arquitetura de Computadores - Mágno 43 d) Utilização de memória cache 11/10/2019 • A técnica de pipelines permite que várias instruções sejam sobrepostas na execução dentro do processador (PATTERSON; HENNESSY, 2005). • Uma instrução é decomposta em várias e distintas tarefas e cada uma delas é executada por diferentes partes do hardware simultaneamente. • Isso permite que, enquanto uma instrução está sendo buscada na memória, outra instrução esteja sendo decodificada e outra ou outras estejam em execução, no mesmo ciclo de clock. Arquitetura de Computadores - Mágno 44 e) Utilização de pipelines 11/10/2019 • Até o 386, os processadores da família x86 eram capazes de processar apenas uma instrução de cada vez. Uma instrução simples podia ser executada em apenas um ciclo de clock, enquanto instruções mais complexas demoravam vários ciclos de clock para serem concluídas. Seria mais ou menos como montar um carro de maneira artesanal, peça por peça. • Para melhorar o desempenho do 486, a Intel resolveu usar o pipeline, uma técnica inicialmente usada em processadores RISC, que consiste em dividir o processador em vários estágios distintos. O 486, possui um pipeline de 5 níveis, ou seja, é dividido em 5 estágios. Arquitetura de Computadores - Mágno 45 e) Utilização de pipelines 11/10/2019 • O Pipeline (ou segmentação de instruções) é uma técnica usada em processadores que permite que várias instruções sejam executadas simultaneamente. • É utilizada para acelerar a velocidade de operação da CPU. Arquitetura de Computadores - Mágno 46 e) Utilização de pipelines 11/10/2019 • Quatro pessoas (A, B, C e D) querem lavar as suas roupas na lavanderia e possuem 4 sacolas de roupas: – Lavar demora 30 minutos. – Secar leva 40 minutos. – Dobrar leva 20 minutos. • Existe apenas uma lavadora, uma secadora e uma mesa para passar as roupas. Arquitetura de Computadores - Mágno 47 e) Exemplo pipelines 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 48 e) Exemplo pipelines 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 49 e) Exemplo pipelines 11/10/2019 • No processamento de dados escalares, são necessários vários ciclos para realizar as operações sobre os dados. Os processadores escalares operam sobre um dado de cada vez e se for preciso fazer a mesma operação em mil elementos a CPU precisa repetir a operação mil vezes. • Na arquitetura superescalar, vários pipelines são construídos pela replicação de recursos da execução, possibilitando a execução simultânea das instruções em pipelines paralelos, reduzindo o número de ciclos necessários. Arquitetura de Computadores - Mágno 50 f) Utilização de arquitetura escalar e superescalar 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 51 f) Utilização de arquitetura escalar e superescalar 11/10/2019 • Possui uma grande capacidade de executar cálculos simultâneos sobre um conjunto de dados. • No interior desse tipo de processador há dezenas, centenas ou milhares de unidades especificamente dedicadas a cálculos, capazes de operar simultaneamente. • Desta forma, quando um programa efetua certa operação sobre todos os dois mil elementos de um vetor e o processador dispõe de, por exemplo, duzentas unidades capazes de efetuar cálculos, as duas mil operações são distribuídas pelas duzentas unidades internas e todo o trabalho é realizado em um centésimo do tempo gasto para efetuar a mesma operação usando uma CPU convencional. Arquitetura de Computadores - Mágno 52 g) Utilização de arquitetura vetorial 11/10/2019 • Tira proveito do paralelismo em nível de instrução, pois executa um grupo de instruções ao mesmo tempo. • Um compilador garante que as instruções a serem processadas não tenham dependências entre si, permitindo a execução ao mesmo tempo, sem perda de lógica do processamento. • A abordagem VLIW depende dos próprios programas que fornecem todas as decisões em relação às instruções e como elas devem ser executadas simultaneamente. O processador Intel’s Itanium IA-64 EPIC usado em servidores é um exemplo do uso de VLIW. Arquitetura de Computadores - Mágno 53 h) Utilização de arquitetura VLIW (Very Long Instruction Word) 11/10/2019 • Os bancos de registradores são replicados para que várias instruções possam compartilhar os recursos dos pipelines. Esta tecnologia é encontrada nos processadores Intel com o nome de hyperthreading (HT) e permite simular dois processadores, tornando o sistema mais rápido, quandose usa vários programas ao mesmo tempo. Uma CPU com hyperthreading tem o dobro de registradores, mas apenas uma ULA e uma unidade de controle. Arquitetura de Computadores - Mágno 54 i) Utilização de Multithreading Simultâneo(SMT) 11/10/2019 • A tecnologia Hyper-Threading simula em um único processador físico dois processadores lógicos. • A linha Core i3 possuem apenas dois núcleos. Contudo, com a utilização da Intel Hyper-Threading, os processadores i3 “ganham” dois núcleos a mais. • É ideal para momentos em que você precisa efetuar várias atividades simultaneamente. Arquitetura de Computadores - Mágno 55 i) Utilização de Multithreading Simultâneo(SMT) 11/10/2019 • É a combinação de dois ou mais processadores num único chip. É também chamado de chip multiprocessador. Cada processador, também chamado de núcleo ou core, possui todos os componentes de um processador convencional, como registradores, ULA e unidade de controle (STALLINGS, 2010). Além disso, os chips multicore normalmente incluem cachesL1 (em alguns modelos também uma L2) privativas para cada núcleo e caches L2 (ou L3 em alguns modelos) compartilhadas. Arquitetura de Computadores - Mágno 56 j) Utilização de multicore 11/10/2019 • INTEL: MULTI-CORE • CORE DUO • CORE 2 DUO • CORE 2 QUAD • INTEL: NEHALEM • CORE i7 • CORE i5 • CORE i3 Arquitetura de Computadores - Mágno 57 j) Multicore x HiperThreading 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 58 j) Comparativo dos core i3, i5 e i7 11/10/2019 • Transforma a CPU numa APU (Acelerated Processing Unit) ou Unidade de Processamento Acelerada, colocando no mesmo chip a CPU e a GPU, aumentando o desempenho e reduzindo o consumo de energia. • Atualmente, as três maiores fabricantes de GPUs são a Intel, a NVIDIA e a AMD/ATI Arquitetura de Computadores - Mágno 59 k) Incorporação da Unidade de Processamento Gráfico (GPU) na CPU 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 60 Evolução dos processadores da Intel 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 6111/10/2019 Evolução dos processadores da Intel Arquitetura de Computadores - Mágno 6211/10/2019 Evolução dos processadores da Intel Modelo Ex: Intel Core i5 2450M, AMD Phenom II X4 965 Arquitetura Ex: Sandy Bridge, Ivy Bridge, K10, Bulldozer Encapsulamento (soquete) Ex: LGA775, LGA1155, AM2, AM3 Tecnologia de fabricação (tamanho do transistor) Ex: 90 nm, 45 nm, 32 nm (nm = nanometros) Conjunto de Instruções Ex: MMX, SSE, SSE2, SSE34, SSE4.1, SSE4.2, EM64T, VT-x, AES, AVX, ARM, ARM Thumb 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 63 Detalhes sobre um processador Como ver essas informações? 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 64 Detalhes sobre um processador O que são? Conjunto de instruções (instruction set) são as operações que um processador, microprocessador, microcontrolador, CPU ou outros periféricos programáveis suporta, fornece ou disponibiliza para o programador. É a representação em mnemônicos do código de máquina, com a finalidade de facilitar o acesso ao componente. Ex: ADD A, B, C 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 65 Conjunto de Instruções • As instruções MMX, 3DNow!, SSE, AVX e AES-NI são chamadas instruções suplementares • Essas instruções operam com um conceito chamado SIMD (Single Instruction, Multiple Data, ou Instrução Única, Múltiplos Dados) • Utiliza um registrador grande dividido em vários menores para executar várias instruções como se fosse uma única 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 66 Conjunto de Instruções Exemplo SIMD Somando de 16 números de 8 bits Usando registradores de 64 bits 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 67 Conjunto de Instruções Clock vs Tensão vs Consumo de energia 𝑷 = 𝑪𝑽𝟐𝒇 Exemplo 1: 1. Processador funcionando em 3 GHz, alimentado com 1,2 V e com capacitância de 10 nF consome 43,2 W. 2. Mesmo processador funcionando em 1 GHz consome 14,4 W. 3. Mesmo processador funcionando em 1 GHz e alimentado com 0,8 V consumirá apenas 6,4 W. P1 = (10n).(1,22).(3G) = (10.10−9).(1,44).(3. 109)=43,2 W P2 = (10n).(1,22).(1G) = (10.10−9).(1,44).(1. 109)=14,4 W P3 = (10n).(0,82).(1G) = (10.10−9).(0,64).(1. 109)=6,4 W P1 é 6,75 vezes o valor de P3 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 68 Consumo de energia 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 69 Consumo de energia Exemplo2: Processador funcionando em 5MHz, alimentado com 1V e com capacitância de 22 μF, qual o consumo de potência instantânea deste processador? 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 70 Consumo de energia HyperTransport ou QuickPath Interconnect: barramento usado para estabelecer a comunicação entre a CPU e outros componentes do computador (memória RAM e dispositivos de I/O). Hyper-Threading: tecnologia Intel que representa a capacidade de determinada CPU em trabalhar com múltiplas Threads. Ela está presente nos processadores Pentium 4, Atom, Intel Core i e outros. 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 71 DEFINIÇÕES IMPORTANTES Intel Turbo Boost: funcionalidade de alguns processadores Intel Core i para efetuar um overclock no processador de forma automática. A tecnologia é ativada quando o processador nota que falta poder de processamento para realizar algumas tarefas. Overclock: processo em que o utilizador aumenta a frequência do processador, fazendo com que a CPU opere com um clock acima do padrão. Essa prática é muito comum entre usuários entusiastas, que pretendem obter maior desempenho ou apenas quebrar recordes. 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 72 DEFINIÇÕES IMPORTANTES Underclock: alteração para fazer o processador funcionar abaixo da frequência padrão. Esse método é utilizado por usuários que não necessitam de tanta potência e desejam economizar a bateria do dispositivo em questão. TDP (Termal Design Power): há um dispositivo chamado de dissipador, que vem acompanhado com o cooler. Usados para amenizar o intenso calor gerado pela potência, do processador trabalhando. Usa-se o TDP como medida de desse calor gerado, medido em Watts(W). 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 73 DEFINIÇÕES IMPORTANTES 11/10/2019 Arquitetura de Computadores - Mágno 74 RESOLUÇÃO DOS EXERCÍCIOS 1 - O QUE SÃO PROCESSADORES? Um processador é uma espécie de microchip especializado. A sua função é acelerar, endereçar, resolver ou preparar dados, dependendo da aplicação. Basicamente, um processador é uma poderosa máquina de calcular: Ela recebe um determinado volume de dados, orientados em padrão binário 0 e 1 e tem a função de responder a esse volume, processando a informação com base em instruções armazenadas em sua memória interna. 2 – QUAIS AS PARTES QUE O PROCESSADOR É DIVIDIDO? Dividido em 5 componentes, a UC, ULA, Registradores, Memória Cache e Barramentos 3 – O QUE É ULA E QUAIS SUAS PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS? Unidade Lógica e Aritmética é responsável por executa as instruções, propriamente ditas, como cálculos aritméticos (soma, multiplicação, subtração e divisão) ou expressões lógicas (AND, OR, XOR, Negação) 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 75 ATIVIDADES 4 – O QUE É UC E QUAIS AS SUAS PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS? A Unidade de Controle é a unidade que armazena a posição de memória que contém a instrução que o computador está executando nesse momento. Ela informa à ULA qual operação a executar, buscando a informação (da memória) que a ULA precisa para executá-la. Depois, transfere o resultado de volta para o local apropriado da memória. A seguir, a unidade de controle vai para a próxima instrução 5 – O QUE SÃO REGISTRADORES E QUAIS SUAS PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS? Um registrador é um local interno à CPU, onde os dados que foram buscados na memória são armazenados. O registrador é um circuito lógico que tem a finalidade de reter a curto prazo um conjunto de bits. Na hierarquia de memória, é a memória com mais velocidadee menor capacidade (16bit- 512bit). 6 – QUAIS AS PRINCIPAIS MARCAS DE PROCESSADORES? DÊ 4 EXEMPLOS DE MODELOS. MARCAS: Intel, AMD, VIA, IBM, Motorola, NVIDIA e Apple. MODELOS: Pentium, Celeron, Core i5, Athlon , Duron, Ryzen 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 76 ATIVIDADES 7 - Qual o consumo de potência instantânea de um processador quando ele está funcionando a 3 GHz alimentado com 1,5 V? Sabe-se que a capacitância deste processador é de 5 nF e a fórmula para se calcular a potência instantânea é dada por 𝑷 = 𝑪𝑽𝟐𝒇 (em que P é a potência instantânea dada em Watts, C é a capacitância do processador dada em Faraday, e f é a frequência atual do processador dada em Hertz). 33,75 8 - Mesmo processador funcionando em 2,2 GHz, quanto consome? 24,75 9 - Mesmo processador funcionando em 2,2 GHz e alimentado com 1,1V, quanto consumirá? 13,31 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 77 ATIVIDADES 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 78 ATIVIDADES 10 – Pra que serve os soquetes? Um soquete pode ser o local das placas-mãe destinado a receber a CPU - o processador, no caso o encaixe e tem a função de alimentar a energia do processador e trafegar os pulsos eletrônicos. Os nomes destes soquetes costumam indicar o número de pinos que o mesmo poderá receber. Ex.: Um soquete PGA 370 só admite processadores com 370 pinos. 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 79 ATIVIDADES 11 – Por que surgiu a memória cache? Surgiu quando a memória RAM não estava mais acompanhando o desenvolvimento do processador. Então, ela foi introduzida próximo para o processador para guardar os dados mais importantes, e os usados mais frequentemente, ou por determinados programas, quando são executados. Sem esta memória, o desempenho dos computadores atuais cairia em mais de 95%, devido a limitação de velocidade da memória RAM. 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 80 ATIVIDADES 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 81 ATIVIDADES • Memória RAM x Processador; • Exemplo (computador hipotético): Realizar uma soma, e ir buscar os operando na memória gasta de 60 s e para o processador obter o resultado 3s. HENNESY, 2009 12 –Qual a diferença entre Clock Interno e Clock Externo (FSB)? Clock interno é a velocidade (frequência) com que o processador executa as instruções (velocidade interna do processador). E Clock externo é a velocidade (frequência) como os dados são transportado entre processador e RAM, ou outros periféricos através do FSB. 13 – Para que serve o conjunto de instruções AES no processador? O conjunto de instruções AES é utilizado para acelerar a criptografia de dados (útil para codificação e decodificação). 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 82 ATIVIDADES 14 – Qual diferença entre processadores RISC e CISC? 11/10/2019 Informática Básica - Carlos Mágno 83 ATIVIDADES Arquitetura RISC × Arquitetura CISC Poucas instruções Muitas instruções Instruções executadas pelo hardware Instruções executadas por microcódigo Instruções com formato fixo Instruções com diversos formatos Instruções utilizam poucos ciclos de máquina Instruções utilizam múltiplos ciclos Instruções com poucos modos de endereçamento Instruções com diversos modos de endereçamento
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