PROCESSADOR. Montagem e Manutenção de Microcomputadores (MMM).

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1 PROCESSADOR Montagem e Manutenção de Microcomputadores (MMM).

2 INTRODUÇÃO O processador é o C.I. mais importante do computador. Ele é considerado o cérebro do computador, também conhecido como uma UCP - Unidade Central de Processamento, do inglês CPU - Central Processing Unit. A aplicação básica do processador é executar instruções, que podem ser oriundas do software a ser executado ou provenientes do próprio hardware, tendo em vista que, em algumas arquiteturas, o próprio processador gerencia todas as funções do hardware, inclusive as de entrada e saída.

3 INTRODUÇÃO Existe uma diversidade muito grande de processadores. Eles diferem entre si quanto a aplicação, fabricante, arquitetura, velocidade, entre outras características que serão abordadas. Os elementos básicos dos processadores para o PC, cujo os principais fabricantes são: Intel, AMD e Cyrix (VIA), serão vista a seguir. Dentre eles, o que tem a maior participação no mercado de PCs atualmente é a Intel, sendo considerada a maior fabricante de processadores do mundo para computadores.

4 ELEMENTO BÁSICO O primeiro passo na fabricação de processadores consiste, obviamente, na obtenção de matéria-prima. Geralmente, os chips são formados por silício, e com os processadores não é diferente. O silício é um elemento químico extremamente abundante, tanto que é considerado o segundo mais comum na Terra. É possível extraí-lo de areia, granito, argila, entre outros.

5 ELEMENTO BÁSICO Um dos elementos derivados do Silício são os transistores, os processadores atuais contam com milhões desse componente, em poucas palavras, são minúsculos componentes capazes de "amplificar" ou "chavear" sinais elétricos, além de outras funções relacionadas.

6 ELEMENTO BÁSICO Só como exemplo, os primeiros processadores da linha Intel Core 2 Duo possuem cerca de 291 milhões de transistores em um único chip.

7 EXECUÇÃO DE UM PROGRAMA O processador é encarregado por processar as informações. Como ele vai processa-las vai depender do programa em execução, esse programa pode ser um processador textos, um navegador de internet ou um jogo, por exemplo. Para o processador isso não faz a menor diferença, já que ele entende tudo como um conjunto de zeros e uns, ele apenas vai obedecer as ordens, que são as instruções contidas nos programas.

8 EXECUÇÃO DE UM PROGRAMA Ao clicar duas vezes em um ícone e executar um programa, acontece basicamente o seguinte: 1- O programa, que está armazenado no HD, é transmitido para a memória RAM. 2- O processador, usando um circuito chamado controlador de memória, carrega as informações que estão em memória.

9 EXECUÇÃO DE UM PROGRAMA 3- As informações, agora no processador, são processadas. 4- O que acontece posteriormente depende da finalidade do programa. O processador pode continuar a carregar e executar o programa ou pode fazer alguma coisa com as informações processadas, como mostrar algo na tela.

10 EXECUÇÃO DE UM PROGRAMA No passado a transferência das informações do HD para a memória eram controladas pelo processador, esse e o método de PIO, estudado no capítulo de Discos, o que tornava o sistema lento, uma vez que o HD é muito mais lento que a memória e o processador ficava aguardando toda a transferência dos dados. Hoje, o processador não atua nessa fase. O HD e a memória trocam as informações diretamente, essa tecnologia é a conhecida DMA, também já estudada. Claro, esse método é mais rápido que o anterior.

11 EXECUÇÃO DE UMA INSTRUÇÃO Para compreender o que é execução de instruções, é necessário primeiramente saber o que será executado. Em um software, que é composto por uma lógica expressa através de uma escrita em uma linguagem de programação, dando origem a um código fonte, que é um conjunto de instruções sequenciais, cujo objetivo é instruir o hardware a executar algo.

12 EXECUÇÃO DE UMA INSTRUÇÃO Atualmente estes códigos-fonte são escritos em linguagens de alto nível, que são inteligíveis pelo homem, mas não são pela máquina, como seria o exemplo da programação realizada em JAVA ou Visual Basic. Portanto, este código tem que ser transformado em uma codificação de baixo nível (assembly), podendo ser, então, interpretada pelo hardware, também chamada de código executável.

13 EXECUÇÃO DE UMA INSTRUÇÃO O processo de conversão do código-fonte em código executável é denominado de compilação. Existe um outro método que é a interpretação, que utiliza máquinas virtuais que transformam o código de um nível mais alto em mais baixo para depois ser executado pelo processador. Este último método torna todo o processamento mais lento, sendo portanto cada vez menos empregado.

14 EXECUÇÃO DE UMA INSTRUÇÃO Ao executar uma instrução, o processador irá ler a instrução contida no código executável, analisá-la e posteriormente gerar a ação solicitada pela mesma. O processo de execução é composto de pelo menos 8 estágios básicos.

15 ESTÁGIO DO PROCESSAMENTO 1. Busca na DRAM a próxima instrução e a copia para o registrador. 2.Atualiza o contador de programa para que o mesmo aponte para a próxima instrução. 3. Determina o tipo da instrução. 4. Se a instrução usa dados da memória, os mesmos são localizados.

16 ESTÁGIO DO PROCESSAMENTO 5. Caso haja dados, os mesmos são copiados para os registradores. 6. Executa a instrução. 7. Armazena os dados obtidos em locais apropriados. 8. Volta ao primeiro passo para iniciar a execução da próxima instrução.

17 ELEMENTOS INTERNOS BÁSICOS DO PROCESSADOR ULA E UC ULA (Unidade Lógica Aritmética) É responsável pela execução das instruções. Detém toda a lógica (Matemática) do processamento. UC (Unidade de Controle) É responsável pela comunicação dos elementos internos do processador e destes com os periféricos externos.

18 ELEMENTOS INTERNOS BÁSICOS DO PROCESSADOR REGISTARDORES Registradores São responsáveis pelo armazenamento temporário de instruções e dados, que servirão de entrada ao processamento e de saídas obtidas através do processamento. São memórias de baixa capacidade de armazenamento da ordem de kbs, porém de elevada performance, por operarem na mesma frequência do processador. Esta constituição é básica para todos os processadores, mas atualmente eles detêm outros recursos específicos e mais avançados.

19 ELEMENTOS INTERNOS AVANÇADOS DO PROCESSADOR Co-Processador Aritmético É um pequeno processador destinado apenas à execução de cálculos complexos, principalmente os de ponto flutuante (casas decimais). Com isso, o processador pode direcionar estes cálculos para o co-processador aritmético e voltar a executar outros códigos que não dependam do resultado da execução do que foi destinado ao co-processador. Consequentemente, os dois processadores trabalham em paralelo, o que eleva a performance do sistema, principalmente em aplicações gráficas.

20 ELEMENTOS INTERNOS AVANÇADOS DO PROCESSADOR Memória Cache Interna (L1. LeveL 1) É uma pequena memória que opera na mesma frequência de operação do processador e com baixíssimo atraso de propagação, incrementando a performance do processador.

21 ELEMENTOS INTERNOS AVANÇADOS DO PROCESSADOR Memória Cache Externa Embutida (L2. LeveL 2) A partir dos processadores Pentium Pro, a memória cache externa, que se encontrava na placa-mãe, foi transferida para dentro do processador. O objetivo era obter dentro do processador uma memória intermediária maior que a L1 (capacidade). Se a mesma estivesse operando na placa-mãe, não chegaria a operar na metade da frequência do processador. Nos processadores atuais é comum encontrar cache de L3.

22 CARACTERÍSTICAS DOS PROCESSADORES Frequência de Operação Clock Tensão de Operação Barramento de Dados e Endereço Encapsulamento Núcleo ou Core

23 FREQUÊNCIA DE OPERAÇÃO CLOCK INTERNO E EXTERNO Também chamado de clock interno ou clock, a frequência de operação do processador é a frequência de sincronismo, da ordem de Mhz ou Ghz gerada pelo circuito de clock interno para todo circuito presente no processador. Este sinal é vital para sincronizar a comunicação entre L1, registradores, ULA e os demais elementos internos. Quanto maior a frequência de operação, mais rápido será o processador e, consequentemente, aquecerá com maior facilidade. Já o clock externo é a frequência de operação de parte dos barramentos da placa-mãe, o processador também possui um clock externo para efetuar a comunicação o barramento da placa-mãe.

24 FREQUÊNCIA DE OPERAÇÃO CLOCK Obviamente o clock interno é mais rápido que o externo. O clock tem a ver com o desempenho do processador, mas não são a mesma coisa. Muitos outros elementos influenciam em tal desempenho, como: Quantidade de memória cache, núcleos e outros. Processador Clock Interno INTEL Core i5 5200U AMD A Ghz 3.0 Ghz

25 TENSÃO DE OPERAÇÃO É a voltagem aplicada no processador para o seu funcionamento. Essa tensão vem sendo reduzida desde os que eram alimentados com 5 volts. Já os processadores mais modernos estão sendo alimentados com tensões menores que 1 volts.

26 BARRAMENTO DE DADOS E ENDEREÇO Assim como no barramento do PC, no processador também há o barramento de dados e de endereço, no entanto, há comunicação entre o barramento interno (presente dentro do processador) com o barramento externo (presente na placa-mãe). Para que essa comunicação seja perfeita, ambos têm que ter a mesma largura de banda e operarem a frequências compatíveis. O barramento de dados e endereço pode ser de 16, 32, 64 ou 128 bits, conforme a arquitetura do processador

27 ENCAPSULAMENTO O encapsulamento é basicamente uma proteção que envolve um circuito integrado. Sua principal função é garantir a conexão segura entre os circuitos e as placas físicas. Esta proteção é composta por pinos de metal, que fixam um envoltório retangular feito de metal, plástico ou de outros materiais. O mecanismo descrito garante que a transmissão de energia não cause danos físicos nos circuitos nem nas próprias placas.

28 ENCAPSULAMENTO Normalmente o encapsulamento faz referência o soquete que o processador utiliza. Quanto aos processadores podemos citar os encapsulamentos LGA e PGA ambos da INTEL.

29 NÚCLEO OU CORE O core é o núcleo do processador. Existem processadores core e multicore, ou seja, processadores com um núcleo e com vários núcleos na mesma peça. Um processador com dois núcleos, por exemplo, funciona como se possuísse dois processadores internos, logo aumentando o desempenho da máquina. Processador INTEL Core i5 5200U Core AMD A

30 ARQUITETURAS DOS PROCESSADORES A forma como os processadores executam as instruções são definidas por duas arquiteturas a CISC e a RISC.

31 ARQUITETURAS CISC Os processadores baseados na computação de conjunto de instruções complexas contêm uma microprogramação, que é um conjunto de códigos de instruções que são gravados no processador, permitindo ao mesmo receber as instruções dos programas e executá-las utilizando as instruções contidas na sua microprogramação. Seria como quebrar estas instruções já em baixo nível em diversas instruções mais próximas do hardware, que são as instruções contidas no microcódigo do processador. Como característica marcante, esta arquitetura contém um conjunto grande de instruções, em que a maioria tem um elevado grau de complexidade.

32 ARQUITETURA RISC Os processadores baseados na computação de conjunto de instruções reduzido não têm microprogramação, sendo as instruções executadas diretamente pelo hardware. Como característica, esta arquitetura, além de não ter microcódigo, tem o conjunto de instruções reduzido, bem como baixo nível de complexidade.

33 CISC X RISC Na comparação entre as duas arquiteturas, é difícil afirmar qual delas é mais eficiente, porque dependerá da aplicação em questão, em que uma irá superar a outra em determinadas execuções. Mas, levando em consideração suas características, é possível afirmar que, na teoria, a RISC é mais eficiente que a CISC. Os processadores atuais utilizam uma arquitetura híbrida, a fim de retirar proveito das vantagens geradas por ambas.

34 OUTRAS CARACTERÍSTICAS Conjunto de Instruções Tecnologia Superescalar Previsão de Múltiplos Desafios Execução Fora de Ordem Execução Especulativa

35 CONJUNTO DE INSTRUÇÕES Um conjunto de instruções recorre ao conjunto básico de comandos e instruções que um microprocessador reconhece e pode executar. Os conjuntos x86 (32bits) e x64 (64bits) são os mais comuns.

36 CONJUNTO DE INSTRUÇÕES Existem também extensões do conjunto de instruções são instruções adicionais que podem aumentar o desempenho quando as mesmas operações são realizadas em vários objetos de dados. No decorrer da história dos processadores diversas extensões foram criadas, entre elas temos: MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, FMA... Entre outras.

37 CONJUNTO DE INSTRUÇÕES Na figura a baixo mostra o conjunto de instruções presentes no processador para notebook INTEL CORE I5 4200U.

38 TECNOLOGIA SUPERESCALAR Esta tecnologia permite que o processador realize um processamento paralelo, só que, em vez de dois processadores em operação, há apenas um, onde, internamente, os circuitos trabalham com múltiplas canalizações de acesso a ULA e múltiplos pipelines.

39 PREVISÃO DE MÚLTIPLOS DESAFIOS O processador é dotado de uma lógica avançada que permite prever a sequência de instruções do programa em execução, analisando os possíveis desvios que podem ocorrer. Dessa forma, torna-se previsível o endereço de memória que contém as próximas instruções, com uma precisão de no mínimo 90%. Este recurso acelera a execução das instruções, tornando-a mais rápida.

40 EXECUÇÃO FORA DE ORDEM Assim como na previsão de múltiplos desvios, o processador tem uma lógica específica, desta vez voltada para a análise da sequência de instruções do programa, a fim de criar uma ordem de execução de instruções mais eficiente possível, mesmo tendo que executá-las fora de sua ordem original, que fora determinada pelo programador. Seria como se o processador estivesse otimizando a sequência de instruções no momento da execução, mas que para alterar a ordem das instruções houvesse diversos requisitos a serem satisfeitos. O mais importante deles é obter instruções totalmente autônomas, que não dependam do resultado de outras instruções para serem executadas. Como resultado do processo, há o aumento da performance do sistema.

41 EXECUÇÃO ESPECULATIVA Na sequência de instruções a serem processadas, existem muitos desvios lógicos (condições do tipo: se, então, senão e caso), cujo resultado (caminho lógico) pode ser especulado. Caso o processador já tenha executado as instruções posteriores ao desvio, quando o mesmo for concretizado, o processador não necessitará executar parte das instruções presentes na ramificação daquele desvio.

42 SOQUETES Ao longo do tempo diversos tipos de soquete para processadores foram desenvolvidos e claro que esses soquetes foram implementados nas placa-mãe para que esses componentes fossem instalados. Atualmente a INTEL trabalha com o LGA 1150 em seus cores de 4 geração e está mudando para os LGA1168 de quinta geração. A AMD, trabalha com o AM3+ e o FM2 e FM2+ nos dias de hoje, na maioria dos casos. No slide seguinte temos alguns Soquete e seus respectivos processadores.

43 SOQUETES Soquete Fabricante Processador 7 AMD / INTEL K5, K6, K6 II, K6 III, Pentium MMX 462 AMD Athlon XP, Duron 478 INTEL Pentium 4, Celeron 939 AMD Athlon 64, Sempron LGA 775 INTEL Pentium 4 e D, Celeron D, Core 2 Duo AM2 / AM2+ AMD Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Sempron LGA 1155 INTEL CORE i3, Core i5, Core i7 (3 geração) AM3 / AM3+ AMD Athlon II x4, Athlon II x3, AMD FX, Phenom II LGA 1150 INTEL CORE i3, Core i5, Core i7 (4 geração)

44 INSTALAÇÃO DOS PROCESSADORES Para instalar um processador o processo é relativamente simples e rápido. Porém devemos tomar muito cuidado para não encostar ou mesmo amassar os pinos presentes no processador ou no soquete da placa-mãe. De maneira geral basta: Destravar (Abrir a alavanca) Retirar a capa protetora do soquete Encaixar o processador Travar (Fechar a alavanca)

45 INSTALAÇÃO DOS PROCESSADORES Sequência de instalação de um processador INTEL soquete LGA 775

46 INSTALAÇÃO DO COOLER Como citado anteriormente os processadores geram muito calor e para evitar travamentos ou até mesmo a queima do equipamento devido ao superaquecimento um componente deve ser instalado junto a ele para manter sua temperatura dentro de uma faixa aceitável, esse componente é o Cooler do Processador. Esse cooler é composto por uma ventoinha e um dissipador de alumínio, normalmente.

47 INSTALAÇÃO DO COOLER Diferente dos coolers de gabinete, esses coolers especiais normalmente possuem uma entra especial na placa-mãe para sua alimentação, o CPU_FAN.

48 INSTALAÇÃO DO COOLER Ao instalar o cooler do processador deve ser usar uma material térmico entre o processador e ele. Geralmente usamos pasta térmica para realizar esse papel.

49 INSTALAÇÃO DO COOLER Existe uma enorme gama de coolers diferentes. Cada fabricante produz o seu de acordo com o soquete utilizado, logo os encaixes não são compatíveis.

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