Aula 10 Processadores de Propósito Geral

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1 Aula 10 Processadores de Propósito Geral Anderson L. S. Moreira 1

2 O que fazer com essa apresentação 2

3 O que é um microprocessador? Máquina completa de computação embutida em um único chip Primeiro microprocessador foi o Intel 4004 (1971). O 4004 não era muito poderoso, já que ele só podia somar e subtrair 4 bits por vez. Mesmo assim, era incrível ver tudo isso em um único chip naquela época.

4 Introdução Computadores do tipo IBM-PC são os mais populares e mais difundidos mundialmente; São usados preferencialmente no estudo de arquitetura de computadores; Intel 8086: Lançado em 78 foi o primeiro a utilizar 16 bits de largura;

5 Microprocessador Primeiro microprocessador de um computador pessoal foi o Intel 8080; Era um computador de 8 bits completo dentro de um chip (1974); Primeiro microprocessador que se tornou realmente popular foi o Intel 8088 (1979) e incorporado em um PC IBM - que apareceu em 1982.

6 Arquiteturas

7 Arquiteturas

8 Arquiteturas - CISC

9 Arquiteturas - RISC

10 Arquiteturas - RISC

11 Arquitetura do Pentium

12 Arquitetura do Pentium

13 Registradores do 8086/8088 Possuem 8 registradores de uso geral: 4 de dados: AX, BX, CX, DX; 4 registradores de endereços: SP, BP, SI, DI; 4 registradores de segmentos: CS, DS, SS, ES. 1 apontador de instruções (IP); 1 registrado de flags (F).

14 Registradores do 8086/ AX AH AL BX BH BL CX CH CL DX DH DL SP BP SI DI IP Flags CS DS SS ES acumulador base contador dado ponteiro para pilha ponteiro base índice fonte índice destino apontador de instruções flags segmento de código segmento de dados segmento de pilha segmento extra

15 Registradores de dados Os quatro registradores de dados são denominados A, B, C, D: A = acumulador B = base C = contador D = dados Quando usados como registradores de 16 bits acrescenta o X Quando usados para 8 bits ganha o H (High) e o L (Low) para indicar o byte dentro da palavra;

16 Registradores de endereço Acessam operandos da memória: SP ponteiro da pilha (stack pointer) BP ponteiro base (base pointer) SI índice de operando fonte (source index) DI índice de operando destino (destination index) Registradores SP e BP são usados para operações na pilha

17 Registradores de segmentos A memória do 8086 é dividida em unidades lógicas chamadas segmentos; Cada segmento tem 64 Kbytes de comprimento; Processador acessa 4 segmentos de cada vez através de 4 registradores de segmentos; Os registradores armazenam os 16 bits mais significativos do endereço de 20 bits; Endereço base é sempre múltiplo de 16;

18 Evolução dos microprocessadores - Intel Nome Data Transistores Mícron s Velocidade do clock Largura de dados MIPS MHz 8 bits 0, MHz 16 bits 8-bit bus 0, ,5 6 MHz 16 bits ,5 16 MHz 32 bits MHz 32 bits 20 Pentium ,8 60 MHz 32 bits 64-bit bus 100 Pentium II , MHz 32 bits 64-bit bus ~300 Pentium III , MHz 32 bits 64-bit bus ~510 Pentium ,18 1,5 GHz 32 bits 64-bit bus ~1,700 Pentium 4 "Prescott" ,09 3,6 GHz 32 bits 64-bit bus ~7,000

19 Dentro de um Microprocessador Para entender o funcionamento de um microprocessador, temos de entender a lógica utilizada para se criar um; Neste processo, vamos aprender um pouco de linguagem assembly (a língua nativa de um microprocessador).

20 Funcionamento Um microprocessador executa uma série de instruções de máquina que dizem a ele o que fazer. As três funções básicas de um processador são: Utilizando ULA, o microprocessador pode executar operações matemáticas como adição, subtração, multiplicação e divisão; Um microprocessador pode mover dados de um endereço de memória para outro; Pode tomar decisões e desviar para um outro conjunto de instruções baseado nestas decisões.

21 Diagrama de Funcionamento

22 Modos de endereçamento 8086 Modo Imediato Registrador Direto Registrador indireto Indexado (ou base) Base e indexado com deslocamento Operando na instrução Significado Operando em registrador Operando na memória, endereçado por deslocamento contido na instrução Operando na memória, endereçado por deslocamento contido em registrador Operando na memória, endereçado pela soma do registrador de índice (ou base) com o deslocamento contido na instrução Operando na memória, endereçado pela soma do registrador de índice com o conteúdo do registrador base e com o deslocamento contido na instrução.

23 Modos de endereçamento 8086 O endereço final de um operando é formado pela soma do registrador de segmento (estendido para 20 bits) com o endereço efetivo fornecido pelo modo de endereçamento; Exemplo com instrução ADD (soma) primeiro operando = primeiro operando + segundo operando; Imediato: ADD CH, 5F Registrador: ADD BX, DX Direto: ADD WVAR, BX

24 Modos de endereçamento 8086 Registrador indireto: ADD CX, [BX] Indexado: ADD [SI+6], AL Base e indexado com deslocamento ADD [BX+DI+5], DX

25 Modos de Endereçamento

26 Modos de Endereçamento

27 Modos de Endereçamento

28 Modos de Endereçamento

29 Modos de Endereçamento

30 Detalhes Microprocessadores Intel

31 Intel Primeiros modelos operavam a 6 MHz, depois passaram para 8, 10, 12,5 e 16 MHz; Internamente possui 4 unidades de processamento separadas operando em paralelo; EU unidade de execução de instruções BU unidade de acesso e controle do barramento (dados e instruções) IU unidade de decodificações de instruções AU unidade de formação de endereços (cálculo de endereço físico) 286 a 6 MHz = 5X 8086 a 4,77 Mhz Capacidade de gerenciar até 1GB de memória virtual; Dois modos de operação modo real e modo protegido.

32 Intel Apresenta características de mainframes em computadores pessoais: Memória virtual, multiprogramação e multitarefa. Vantagem: poder executar programas do 8086 sem sair do modo protegido; Arquitetura de 32 bits (registradores de 32 bits); Barramento externo de endereço: 30 bits; Barramento externo de dados: 32 bits configuráveis para 16 bits; Suporte de até 64 Tbytes de memória virtual; Proteção de memória.

33 Intel Apresenta 6 unidades de processamento: EU unidade de execução BU unidade de acesso e controle do barramento IU unidade de decodificações de instruções PU unidade de pré-busca PgU unidade de formação de endereços (paginação) SU unidade de formação de endereços (segmentos) Duas últimas responsáveis pelo gerenciamento de memória virtual

34 Intel Cache interna de 8 Kbytes; FPU com as mesmas funções de um coprocessador 8087; Acesso à memória em modo rajada (simultânea); Processador disponível em 4 modelos básicos: DX SX DX2 DX4

35 Pentium Primeiro com barramento de 64 bits; Suporta implementação de protocolo de coerência de cache em ambiente multiprocessado; Dois pipelines para processamento de inteiros; Um pipeline para processamento FPU; Operações em paralelo.

36 Análise Operacional Análise de uso de determinados recursos de máquina; Aplicável principalmente em CPU; Pode ser usada em outras medições, cálculo de estimativa de rede;

37 Análise Operacional Variáveis operacionais para um determinado sistema (S) T: Período de observação K: Número de recursos do sistema Bi: Tempo de ocupação do recurso i no período T. Ai: Número total de solicitações (ex:.chegadas) do recurso i no período T. A0: Número total de solicitações (ex:.chegadas) ao sistema no período T. Ci: Número total de serviços finalizados pelo recurso i no período T. C0: Número total de serviços finalizados pelo sistema no período T.

38 Análise Operacional S A0 K1 K2 K3 C0 K4 K5 Kn T

39 Análise Operacional Métricas derivadas (derived measures) Si: Tempo médio de serviço por finalização relativa ao recurso i; Si = Bi/Ci Xi: throughput (ex.: finalizações por unidade de tempo) do recurso i; Xi = Ci/T ʎi: taxa de chegada (ex.: chegadas por unidade de tempo) ao recurso i; ʎi = Ai/T X0: throughput do sistema; X0 = C0/T Vi: Número médio de visitas ao recurso i por solicitação; Vi = Ci/C0

40 Análise Operacional Leis Operacionais (derived measures)

41 Análise Operacional Exercícios resolvidos Suponha que ao se monitorar uma processador por um período de 1 min, verificou-se que o recurso esteve ocupado por 36s. O número total de transações que chegaram ao sistema é O sistema também finalizou a execução de 1800 transações no mesmo período. 1. Qual a taxa de chegada ao sistema (ʎ0)? 2. Qual é o throughput do sistema (X0)? 3. Qual é a utilização da CPU(UCPU)? 4. Qual é o tempo médio por transações finalizadas pelo sistema (S0)?

42 Análise Operacional CPU: K = 1 T = 1 min A0 = 1800 transações C0 = 1800 transações BCPU = 36 s A0 = A1 B0 = B1 ʎ0 = ʎ1 = 1800/60 = 30 trs/s X0 = X1 = 1800/60 = 30 trs/s UCPU = BCPU/T = 36/60 = 0,6 = 60% S0 = Si = BCPU / CCPU = 36/1800 = 0,02 s Obs.: Considerando S0 = Si = SCPU U0 = Ui = UCPU ʎ0 = ʎi = ʎCPU X0 = X1 = XCPU

43 Exercícios A banda passante de um link de comunicação é bps. Pacotes de 1500 bytes são transmitidos ao link a uma taxa de 3 pacotes por segundo. Qual é a utilização do link? Para ilustrar o conceito de Service Demand considere o caso em que 6 transações fazem 3 acessos (cada uma) a uma unidade de disco. Os tempos de cada acesso são apresentados em ms. Qual a Service Demand do sistema?

44 Exercícios Considere que um Web Server foi monitorado por 10 min e que a CPU esteve ocupada por 90%. O log do Web Server registrou solicitações processadas. Qual é a CPU Service Demand (DCPU) relativa as solicitações ao Web Server? Procure informações sobre a Arquitetura do Pentium: Operações em paralelo; Cache; BTB Branch Target Buffer; FPU; Otimização;

45 Bibliografia Pessoais, Raul Weber, 2ª edição;, Andrew S. Tannembaum, 8ª edição; Fundamentos de, Saib e Weber, 4ª edição;

46 Dúvidas 46

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