12/09/2014. Processadores Intel e AMD. Agenda. Prof. Doutorando Luiz Carlos Pereira Santos. Resumo Evolução Intel X AMD PROGRAMAÇÃO

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1 PROGRAMAÇÃO AVALIAÇÃO I: PROCESSADORES, MEMÓRIA E BARRAMENTO 10,0 PONTOS DATA: 03/10/2014 AVALIAÇÃO II: ARQUITETURA RISC E CISC, DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA, PROCESSOS DE MONTAGEM DE MICROCOMPUTADORES. 10,0 PONTOS DATA: 28/11/2014 AVALIAÇÃO III: EXERCÍCIOS ENTREGUES TOTAL 03 VALENDO CADA 1,0 PONTO DE ACORDO COM A PROGRAMAÇÃO DO PROFESSOR Processadores Intel e AMD Prof. Doutorando Luiz Carlos Pereira Santos Agenda 8088 / Resumo Evolução Intel X AMD Introdução Conceitos básicos Microprocessadores Histórico dos processadores X86 (Intel e AMD) Linha evolutiva dos processadores Mercado de processadores Breve Comparativo Intel x AMD Resumo Processador Celeron Processadores 64 bits Conclusões Bibliografia e sites relacionados Celeron (Pentiums limitados) AMD 386 Pentium Pentium Pro Pentium II AMD 486 Pentium III Pentium IV AMD K5 AMD K6 AMD K6-II AMD K6-III Duron Athlon Semprom 1

2 Evolução X86 Evolução X86 Nome Data Transistores K Processador de 16-bit. Base para o IBM PC & DOS Limitado a 1MB de espaço de endereçamento. DOS disponibiliza ao usuário apenas 640K K Modo de endereçamento mais complexo, mas não muito útil Base para IBM PC-AT e Windows K Extensão para 32 bits. Adicionado um novo tipo de endereçamento Capaz de rodar Unix (modos Real, Protegido) Nome Data Transistores M Pentium M Pentium II/MMX M Adicionada uma coleção especial de instruções para operar em vetores de 64-bit de dados inteiros de 1, 2, ou 4 bytes PentiumPro M Adionadas as instruções de mov condicional Grande mudança na microarquitetura Preempção de tarefas (saltos) Evolução X86 Evolução AMD Nome Data Transistores Pentium III M Adicionadas instruções streaming SIMD para operar sobre vetores de 128-bits de dados inteiro ou ponto flutuante de 1, 2 ou 4 bytes 8080A Am386 Am486 AMD-K5 AMD-K6 AMD Athlon AMD Athlon XP Pentium M Adicionados formatos de 8-bytes e 144 novas instruções para o modo streaming SIMD Transistores 5k 29k 134k 275k 1.200k 3.500k 9.300k k k 10um 0.80um 0.35um 0.25um 0.18um 0.13um um -> 0.09um k Transistores 2

3 Evolução AMD Arquitetura Interna de Microprocessador am386 am EXERCÍCIO 1. O QUE SÃO AS INSTRUÇÕES streaming SIMD? 2. QUAL A IMPORTÂNCIA DE UM ENDEREÇAMENTO PARA O PROCESSADOR? 3.O QUE É UMA PREEMPÇÃO DE TAREFAS PARA O PROCESSADOR? 4.O QUE SÃO OS TRANSISTORES EM UM PROCESSADOR? 5. O QUE SÃO PIPELINE? 6. QUAL A FINALIDADE DOS Registrador de Dados de Memória - RDM e Registrador de Endereços de Memória REM 7. Quando se fala que um determinado computador é de 8, 16, 32 ou 64 bits, a que está se referindo? 8. Considere um computador que possua uma UCP com o PC (ou CI) de 16 bits e IR (ou RI) de 38 bits. Suas instruções possuem dois operandos do mesmo tamanho (16 bits cada), além do código de operação Qual o tamanho da instrução? 8.2. Qual o tamanho do campo do código de operação? 8.3. Considerando que a configuração básica desta máquina é de 16 K bytes de memória, até que tamanho pode esta memória ser expandida? Arquitetura primeiro microprocessador de 16 bits da Intel arquitetura de 16 bits comunicação com a memória em 16 bits (8086) capacidade máxima de memória de 1 MByte 14 registradores (4 dados, 4 endereços, 4 segmentos, ponteiro do programa, flags) endereço físico = segmento * 16 + deslocamento 85 instruções básicas coprocessador: 8087 (67 instruções básicas) sem cache, sem memória virtual mesma arquitetura, barramento externo de 8 bits CEFET-PE Arquitetura e redes de Computadores 3

4 Características da Arquitetura 8086 Características da Arquitetura 8088 Características da Arquitetura 8086 Características da Arquitetura AX AH AL acumulador BX BH BL base CX CH CL contador DX DH DL dado Dados SP BP SI DI ponteiro para pilha ponteiro base índice fonte índice destino Endereços IP FLAGS CS DS SS ES apontador de instruções flags segmento de código segmento de dados segmento de pilha segmento extra Segmento 4

5 Registradores de Segmento 8086 São registradores de endereços; Armazena endereços de programa e dados; Organização de memória: Cada byte na memória possui um endereços de 20 bits iniciando em 0 até ou seja, 1M de memória endereçável; Endereços são representados por 5 dígitos hexadecimais; de FFFFF Problema: 20 bits de endereços é grande demais para ser colocado em registradores de 16 bits; Solução: Segmentação de memória Blocos de memória de 64K consecutivos (65.536); Um número de segmento é um número de 16 bits; Faixa de um endereços de um segmento vai de 0000 a FFFF Em um segmento, uma posição de memória em particular é especificado como sendo um offset (deslocamento); Um offset também tem faixa de 0000 a FFFF Características da Arquitetura 8086 Segmentação de memória no 8086 EXERCÍCIO F0000 E0000 D0000 C0000 B0000 A :FFFF 8000:0000 seg ofs :0250 one segment 1.O QUE É UM SEGMENTO EM UMA ARQUITETURA 8086? 2.QUAL A DIFERENÇA DA ARQUITETURA 8086 PARA O 8088? 5

6 Microprocessador Intel Questões da Memória Virtual: Microprocessador Intel Dinâmica da Memória Virtual: quando mover um bloco da memória secundária para a memória primária (real)? por demanda quando mover um bloco da memória real para a memória secundária? quando faltar espaço na memória real qual o tamanho ideal de um bloco? constante (paginação) ou variável (segmentação) onde colocar um novo bloco transferido para a memória principal? onde houver área livre (paginação) ou no melhor lugar (segmentação) programa gera endereço virtual CPU transforma endereço virtual em endereço físico (hardware) bloco está na memória principal? Sim: calcular o endereço físico (hardware) Não: buscar o bloco da memória secundária (software) existe espaço para o bloco na memória principal? Sim: carregar o bloco e atualizar descritor (software) Não: retirar um outro bloco, carregar o bloco e atualizar descritores (software) Memória virtual segmentada Memória virtual paginada (Paginação => Converte endereços lineares em endereços físicos) programa gera endereço virtual CPU transforma endereço virtual em endereço físico segmento está na memória principal? Sim: calcular o endereço físico. Se este endereço estiver fora do segmento, gerar erro Não: buscar o segmento da memória secundária Diretório de Páginas (PD) Endereço linear Diretório Página Deslocamento Tabela de Páginas (PT)... (PT) existe espaço suficiente para o o segmento na memória principal? Sim: carregar o segmento na melhor posição e atualizar descritor Não: retirar um (ou mais) segmentos, carregar novo segmento e atualizar descritores PDE (32bits) PTE (32 bits)... CR Tabelas (1024 x 32) Endereço de page frame Deslocamento Endereço físico 6

7 Memória virtual paginada Microprocessador Intel programa gera endereço virtual CPU transforma endereço virtual em endereço físico página está na memória principal? Sim: calcular o endereço físico. Este endereço sempre está dentro da página. Não: buscar a página da memória secundária existe espaço suficiente para a página na memória principal? Sim: carregar a página em qualquer lugar e atualizar descritor Não: retirar uma página (é suficiente), carregar nova página e atualizar descritores Idêntico ao 386 Modos real (8086), protegido e virtual86 Comunicação com a memória em 32 bits Capacidade máxima de memória de 4 GByte 16 registradores (os do 80386, também em 32 bits) 6 instruções extras ( = 157 instruções básicas) Endereço físico ou virtual Memória virtual segmentada e paginada (opcional) Co-processador: (para 80486SX) integrado no 80486DX Com cache de 8 KByte FPU Microprocessador Intel Pentium Microprocessador Intel Pentium 2 pipelines para inteiros, operando em paralelo cada pipeline inteiro consta de 5 estágios: busca de instrução (a partir da cache de instruções), decodificação de instrução, geração de endereço, execução, escrita (write back). FPU também em pipeline (mas não em paralelo) operação super-escalar: mais de uma instrução pronta em um ciclo de relógio barramentos de 64 bits externos e internos bus interface unit caches separadas dados e instr. 8 KB cada BIU U-pipe Cache Instr. Buffer de instruções V-pipe ALU ALU Registradores Cache Dados BTB FPU reg. stack + FPU-pipe com circuitos dedicados para soma, divisão e multiplicação 2 pipelines paralelos de 5 estágios para inteiros 7

8 Microprocessador Intel Pentium Pro (P6) Re-estruturação do Pentium (P5) Mesmas características de (mem. virtual) e do Pentium (largura de dados de 64 bits) FPU cache de 16 KByte (2 x 8 KByte) 5 instruções extras ( = 167 instr. básicas) Operação super-escalar 14 unidades internas Execução fora de sequência Execução especulativa Microprocessador Intel Pentium MMX Arquitetura do Pentium (P5) Novo tipo de dado: packed 57 instruções extras (além das 167 instr. básicas) Com cache de 32 KByte (2 x 16 KByte) Operação super-escalar Não possui as características do Pentium Pro (execução fora de sequência, exec.especulativa) Instruções para processamento de vetores (8 bytes, 4 palavras ou 2 palavras duplas) 8 novos registradores lógicos (MMX0 a MMX7) Intel Pentium II (P6) Intel Pentium III Pentium Pro com MMX Mesmas características do Pentium Pro Instruções MMX Cinco unidades internas Execução fora de sequência Execução especulativa MMX Pentium Pro Novo tipo de dado: floating packed (Ponto flutuante) 70 instr. extras (além das 167 básicas e 57 MMX) Instruções para processamento de vetores inteiros (MMX) ou de ponto flutuante (SSE) 8 novos registradores físicos (XMM0 a XMM7), de 128 bits, para as instruções SSE No de série do processador (Inst. CPUID) PentiumII 8

9 Intel Pentium 4 Intel Pentium 4 Lançado em novembro de 2000 Pipeline de 20 estágios ( hyper pipeline ) Até 128 instruções em execução (3 vezes mais que no Pentium III) Algoritmo melhorado para previsão de desvios, com tabela de 4K Novo sistema de cache de nível 1 Cache de execução de 12 K micro-operações (Execution Trace Cache) Cache de dados de 8 KBytes Instruções SSE2 (Streaming SIMD Extensions 2) novas instruções 67 instruções para vetores de pontos flutuante de precisão dupla (64 bits) 69 novas instruções MMX, para vetores inteiros de 128 bits (utilizando os registradores XMM) 8 instruções para controle de cache Barramento do sistema Net Burst de 400 MHz Comparativo entre Processadores Intel e AMD Estado da Arte em Processadores Intel foi isoladamente a líder em fabricação de CPUs até início dos anos 90 Até a fabricação do Não houve concorrência da AMD Concorrência começou devido a fabricação do AM386 DX Intel Pentium X AMD AM5x86 Intel Pentium, Pentium PRO X AMD K5 Equivalente mas lançado 3 anos depois do Pentium Intel Pentium MMX, II X AMD K6 Vantagem AMD: Mais barato Intel Celeron X AMDK6 Celeron:Versão light do Pentium II Intel Celeron X AMD Sempron AMD Desktop: AMD Athlon 64 FX, AMD Athlon 64 Server: AMD Opteron Intel Desktop: Intel Pentium 4 w/ HT, Intel Pentium 4 Extreme Edition Server: Intel Itanium 2, Xeon 9

10 Resumo Processadores Celeron Modelo Resumo Processadores Celeron Nomecódigo L1 L2 gia Baseado no Cache Cache Tecnolo Barramento Soquete Externo Os processadores Celeron diferenciam-se dos processadores Pentium II, III e IV pela limitação das seguintes características: Tamanho da Cache L2 Clock interno Clock do barramento externo Celeron SEPP Convingto Pentium II 32KB µm 66MHz Slot 1 n com núcleo Deschutes Celeron A Mendocino Pentium II 32KB 128KB 0.25µm 66MHz Slot 1 com núcleo Deschutes Pentium II Celeron PPGA Mendocino 32KB 128KB 0.25µm 66MHz Soquete 370 com núcleo Deschutes Celeron Coppermi Pentium III 32KB 128KB 0.18µm 66MHz / Soquete 370 Coppermine ne com 100MHz núcleo Coppermine Celeron Tualatin Pentium III 32KB 256KB 0.13µm 100MHz Soquete 370 Tualatin com núcleo Tualatin Celeron Willamette Pentium 4 8KB 128KB 0.18µm 400MHz Soquete 478 Willamette com núcleo Willamette Celeron Northwoo Pentium 4 8KB 128KB 0.13µm 400MHz Soquete 478 Northwood d com núcleo Northwood Celeron D Prescott Pentium 4 8KB 256KB 0.09µm 533MHz Soquete 478 / com Soquete 775 núcleo Prescott Resumo Processadores Celeron D Resumo Processadores Sempron Processador Clock Interno Clock Externo Cache L2 Soquete Hyper-Threading 350 3,2 GHz 533 MHz 256 KB 478 ou 775 Não 345 3,06 GHz 533 MHz 256 KB 478 ou 775 Não 340 2,93 GHz 533 MHz 256 KB 478 ou 775 Não 335 2,80 GHz 533 MHz 256 KB 478 ou 775 Não 330 2,66 GHz 533 MHz 256 KB 478 ou 775 Não 325 2,53 GHz 533 MHz 256 KB 478 ou 775 Não Processador Clock Interno Clock Externo Cache L1 Cache L2 Soquete Sempron ,50 GHz 333 MHz 128 KB 256 KB 462 Sempron ,58 GHz 333 MHz 128 KB 256 KB 462 Sempron ,67 GHz 333 MHz 128 KB 256 KB 462 Sempron ,70 GHz 333 MHz 128 KB 256 KB 462 Sempron ,83 GHz 333 MHz 128 KB 256 KB 462 Sempron GHz 333 MHz 128 KB 256 KB 462 Sempron GHz 333 MHz 128 KB 512 KB

11 Resumo Processadores Celeron Exemplo: Celeron D Intel Extreme Edition 16Kb Cache L1 256Kb Cache L2 Clock ext. 533MHz (Burst 133MHz) Clock int. 2,13 GHz a 3,2 GHz Suporte Hyper Threading => não disponível Intel Extreme Edition Intel Extreme Edition Características: Primeiro processador desktop da Intel com tecnologia dual-core. Basicamente é evolução do Pentium IV Hyper-Threading (HT) : 2 processadores (lógico + Físico) Processador lógico barramentos, caches e unidades de execução são compartilhados cada processador lógico tem estado próprio, bem como registradores de propósitos gerais. Processador dual-core : 4 processadores (2 lógicos + 2 Físicos) Hyper-Threading + dual-core: execução de 4 threads simultaneamente Processador físico tem seus próprios conjuntos de registradores e caches. 11

12 Intel Extreme Edition Intel Extreme Edition Cache 2 caches de 16KB (L1). 2 caches de 1 MB (L2), sendo 1 MB para cada core. principal vantagem: redução do tráfego do barramento. Trace cache cada core tem uma trace cache de até 12KB de microoperações já decodificadas. principais vantagens: remoção da etapa de decodificação em loops e em execução de desvios. Segurança: bit para desabilitar execução: recurso aliado ao S.O define áreas ativas ou não-ativas de memória. Conjunto de instruções instruções dedicadas ao processamento de imagens e compressão de dados mantém compatibilidade com IA-32. Gerenciamento de energia: capacidade de desligamento de pinos e outras partes do chip. Intel Extreme Edition AMD Athlon 64 Perspectivas: Aumento da velocidade do barramento PCI e AGP (média de 3.5 vezes). Facilidades para os softwares multi-threads do futuro. Dual-core : será base para as pesquisas da Intel nas tecnologias Hyper-Threading e EM64T. 12

13 Bus SCSI AGP RAM RAM 12/09/2014 AMD Athlon 64 AMD Athlon 64 Resumo Processadores AMD Atuais Desktop Semprom (Low End) Athlon 64 (Mid Range) Athlon 64 FX Athlon 64 X2 Notebooks Athlon 64 Mobile Turion 64 Servidores Opteron Am386 Am486 AMD-K5 AMD-K6 AMD Athlon AMD Athlon XP 8080A Transistores 5k 29k 134k 275k 1.200k 3.500k 9.300k k k 10um 0.80um 0.35um 0.25um 0.18um 0.13um um -> 0.09um k Transistores AMD Athlon 64 AMD Athlon 64 L1/L2 UCP Adaptador SCSI HD REDE Bus PCI L3 North LAN South E/ISA CD-ROM USB HD Interface Gráfica PCI I/O Bus E / ISA Novas características incorporadas 1MB L2 Cache Controlador de Memória DDR incorporado HyperTransport Channel Menor consumo de potencia Novo Core Processador Registradores em dobro Pipeline maior (10 12 estágios) Maior Look Aside Buffer (TLB) CD-ROM COM LPT Mouse Scaner ROM BIOS Super I/O Floppy PCMCIA Interface Som 13

14 144-bit wide DRAM interface 64-bits wide 64-bits wide 128-bits wide 128-bits wide 12/09/2014 Características da arquitetura AMD64 Arquitetura do sistema com AMD64 Processamento nativo em 32 e 64 bits Controlador de memória DDR integrado ao processador Sistema típico Sistema AMD64 Tecnologia Hyper Transport Cool n quiet (PowerNow! para servers e mobile) CPU DDR CPU AMD64 Proteção anti-vírus por hardware Benefícios DDR North PCI PCI Express Excelente desempenho Melhor custo/benefício PCI - Túnel HT PCI Express Sistemas mais confiávies Preparado para software de 64 bits IDE, FDC, USB, Etc. South PCI IDE, FDC, USB, Etc. I/O Hub PCI Processadores AMD64 de dois núcleos Diferenças na fabricação e compatibilidade de socket e placa Arquitetura Interna Processador single-core Núcleo Athlon 64 Athlon 64 FX Sempron Opteron Turion Athlon 64 X2 Opteron Processador dual-core DRAM Controller Memory Controller Crossbar Switch System Request Queue (SRQ) 1MB Bussing Unit L2 Cache 1MB Bussing Unit L2 Cache L1 Data Cache L1 Inst. Cache FP Unit Execution Unit Fetch Scan Align Load/Store Unit AMD64 CPU FP Unit Execution Unit Fetch Scan Align Load/Store Unit AMD64 CPU L1 Data Cache L1 Inst. Cache HyperTransport Technology BUS Núcleos Placa mãe 14

15 Processadores AMD Sempron Processadores AMD Athlon 64 Processamento nativo em 32 e 64 bits Controlador de memória DDR integrado ao processador Barramento de sistema Hyper Transport Cool n quiet para modelos acima do Sempron Proteção anti-vírus por hardware Acesso à memória em 64 bits Computação do dia-a-dia Processamento nativo em 32 e 64 bits Controlador de memória DDR integrado ao processador Barramento de sistema Hyper Transport Cool n quiet - Gerenciamento avançado de energia Proteção anti-vírus por hardware Excelente custo/benefício AMD Athlon 64 FX: Campeão em aplicações single thread Jogos Processadores AMD Athlon 64 X2 Dois núcleos AMD64 (Dual Core) Processamento nativo em 32 e 64 bits Processadores AMD Opteron Para servidores com 1, 2, 4 ou 8 processadores Processamento nativo em 32 e 64 bits Controlador de memória DDR integrado ao processador Barramento de sistema Hyper Transport de 2.0GHz Cool n quiet - Gerenciamento avançado de energia Proteção anti-vírus por hardware Acesso à memória em 128 bits Alto desempenho multi-tarefa Controlador de memória DDR integrado ao processador Barramento de sistema Hyper Transport Sem gargalos de FSB Power Now! - Gerenciamento avançado de energia Acesso à paralelo à memória, em 128 bits Inclui modelos Dual Core Excelente consumo de energia 15

16 Mem.Ctrlr Mem.Ctrlr 12/09/2014 Funcionamento de servidor Dual Alta demanda - controlador de memória no chipset Funcionamento de servidor Dual Alta demanda arquitetura AMD64 Sistema Quad-processado Solução do problema de gargalo no chipset/fsb Multiprocessamento com CPUs de núcleo duplo Necessidade da evolução da arquitetura de interconexão Típico sistema multiprocessado Sistema AMD Opteron CPU CPU CPU CPU CPU CPU 8 GB/S SRQ SRQ Processor Processor Processor Processor Crossbar HT Crossbar HT DDR DDR Memory Expander Memory Expander IDE, FDC, USB, Etc. North South PCI DDR DDR Other I/O AMD Opteron AMD Opteron Other IDE, FDC, USB, Etc. AMD Opteron AMD Opteron I/O Hub DDR DDR PCI I/O Hub Memory Controller PCI-E Hub PCI-E PCI-E PCI-E Arquitetura x86 tradicional FSB compartilhado por CPUs, Memória e I/O 8 GB/S 8 GB/S 8 GB/S PCI-E I/O Hub USB PCI PCI-E AMD64 com DirectConnect Arquitetura x86 padrão de mercado Mais CPUs Maior performance Sem gargalo de FSB Menor latência no acesso à memória 16

17 O futuro do Microprocessador Mais transistores, mais núcleos, mais threads Mais núcleos Núcleos especializados Mais controladores integrados... Vale lembrar que os Celeron, Pentium Dual-Core, Core2Duo e Core2Quad são compatíveis com o soquete 775 de placas-mãe. Intel Core i7: Esse processador é a nova arma da Intel. 4 núcleos que podem simular 8 através da tecnologia HT, triple channel (3 canais pra se comunicar com as memórias), turbo boost, cache inteligente e o novo quick path que permite comunicação direta com as memórias. Todas essas características somadas dão ao Core i7 o título de processador mais rápido do mundo atualmente. Alto preço e alta performance para entusiastas ou profissionais que querem agilizar seus trabalhos. CPU de 16 núcleos Em breve toda a família de processadores Intel será baseada nessa mesma tecnologia. O core i7 usa o soquete 1366 para suas placas-mãe. 17

18 Conclusões Processadores AMD atuais são mais indicados para aplicativos (Business), Jogos, Aplicativos 2D com melhor taxa de preço Processadores Intel estão mais indicados para aplicativos 3D e Multitasking Bibliografia e Sites Recomendados Pesquisa: Patterson, D. - Organizacao e projeto de computadores - a interface hard/software Torres, G. Hardware Curso completo Weber, R. Arquitetura de computadores pessoais Intel Home page: AMD Home Page: Explicar em linhas gerais, as principais diferenças entre os seguintes processadores: Intel Pentium HT (HyperThreading ) Intel Pentium D (Dual Core) Intel Pentium EE (Extreme Edition) Enviar resposta para lista de discussão com subject: Nome do aluno 18