PROCESSADORES Unidade de Controle Unidade Aritmética e Lógica efetua memória de alta velocidade registradores Program Counter Instruction Register

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1 PROCESSADORES Um computador digital consiste em um sistema interconectado de processadores, memória e dispositivos de entrada e saída. A CPU é o cérebro do computador. Sua função é executar programas armazenados na memória principal buscando suas instruções, examinando-as e então executando-as uma após outra. Os componentes são conectados por um barramento, conjunto de fios paralelos que transmitem endereços, dados e sinais de controle. Barramentos podem ser externos à CPU, conectando à memória e aos dispositivos de E/S, mas também podem ser internos. A Unidade de Controle é responsável por buscar instruções na memória principal e determinar seu tipo. A Unidade Aritmética e Lógica efetua operações como adição e AND boleano para executar instruções. A CPU também possui uma pequena memória de alta velocidade usada para armazenar resultados temporários e para controle de informações. Esta memória é composta por uma quantidade de registradores (Program Counter - PC: indica a próxima instrução a ser executada, Instruction Register - IR: mantém a instrução que está sendo executada no momento, entre outros).

2 Organização da CPU

3 Execução de instrução A CPU executa cada instruções em uma série de pequenas etapas. Em termos simples, as etapas são: 1. Trazer a próxima instrução da memória até o registrador; 2. Alterar o PC para que aponte para a próxima instrução; 3. Determinar o tipo de instrução trazida; 4. Se a instrução usar uma palavra na memória, determinar onde ela está; 5. Trazer a palavra para dentro de um registrador da CPU (se necessário); 6. Executar a instrução; 7. Voltar à etapa 1 para iniciar a próxima instrução. PARALELISMO Fazer duas coisas ou mais ao mesmo tempo para conseguir desempenho ainda melhor para cada velocidade de clock. Há basicamente duas formas de paralelismo: a nível de instrução e a nível de processador. Na primeira, o paralelismo é explorado dentro de instruções individuais para obter da máquina mais instruções por segundo. Na última, várias CPUs trabalham juntas no mesmo problema. Paralelismo a nível de instrução: Pipelining O gargalo na velocidade de execução de instruções é buscar informações na memória. Inicialmente os computadores resolviam parte deste problema através do buffer de memória antecipada, que tinha a capacidade de buscar instruções na memória de forma antecipada, de maneira que estivessem presentes quando necessárias. A busca antecipada divide a execução da instrução em duas partes: a busca e a execução. O conceito de pipeline (paralelismo, canalização) amplia muito mais esta estratégia. Em vez de dividir a instrução em duas partes, divide-se ela em muitas. Assim, cada uma é executada por uma parte dedicada do hardware e elas são executadas em paralelo.

4 O pipeline permite um compromisso entre latência (o tempo que demora pra executar uma instrução) e largura de banda de processador (quantis MIPS a CPU tem). MULTINÚCLEO Multinúcleo (múltiplos núcleos, do inglês multicore) consiste em colocar dois ou mais núcleos de processamento (cores) no interior de um único chip. Estes dois ou mais núcleos são responsáveis por dividir as tarefas entre si, ou seja, permitem trabalhar em um ambiente multitarefa. Em processadores de um só núcleo, as funções de multitarefa podem ultrapassar a capacidade da CPU, o que resulta em queda no desempenho enquanto as operações aguardam para serem processadas. Em processadores de múltiplos núcleos o sistema operacional trata cada um desses núcleos como um processador diferente. Na maioria dos casos, cada unidade possui seu próprio cache e pode processar várias instruções quase simultaneamente. Adicionar novos núcleos de processamento a um processador (único encapsulamento) possibilita que as instruções das aplicações sejam executadas em paralelo, como se fossem 2 ou mais processadores distintos. Os dois núcleos não somam a capacidade de processamento, mas dividem as tarefas entre si. Por exemplo, um processador de dois núcleos com clock de 1.8 GHz não equivale a um processador de um núcleo funcionando com clock de 3.6 Ghz, e sim dois núcleos 1,8GHZ operando em paralelo. O termo multinúcleo ou multicore (como é popularmente conhecido), são por vezes utilizados para descrever arquiteturas multicore com um número particularmente elevado de núcleos (dezenas ou centenas). O surgimento dos processadores multicore, tornou-se necessário principalmente devido a missão cada vez mais difícil de resfriar processadores singlecore (processadores de apenas um núcleo) com clocks cada vez mais altos; devido a concentração cada vez maior de transistores cada vez menores em um mesmo circuito integrado. E além dessa e outras limitações dos processadores singlecore, existe a grande diferença entre a velocidade da memória e do processador, aliada à estreita banda de dados, que faz com que aproximadamente 75 por cento do uso do microprocessador seja gasto na espera por resultados dos acessos à memória.

5 Descrição Na maioria dos processadores de mais de um núcleo, cada núcleo pode possuir sua própria cache e alguns casos realizam acesso direto e independente à memória principal; possibilita-se, assim, que as instruções de aplicações sejam executadas em paralelo, ou seja, cada processador realiza os cálculos de que é requisitado concorrentemente com o outro, ganhando desempenho. Este, porém, depende muito dos algoritmos de software utilizados e de suas implementações. Outra vantagem do processamento em paralelo é a capacidade de cada processador ficar responsável pela execução de um aplicativo, como por exemplo, quando o usuário está executando algum arquivo de som e ao mesmo tempo executando a varredura do antivírus. Muitas aplicações são mais adequadas para paralelismo por nível de thread (TLP), métodos e múltiplas CPUs independentes são comumente usados para aumentar a TLP geral de um sistema. Vantagens Uma das principais vantagens dos processadores multicore é também um dos principais motivos da sua invenção. Essa vantagem é a sua maior capacidade - comparado aos singlecores - de resfriamento; o que ainda possibilitou e ainda possibilita o aumento do poder de processamento. Processadores multicore também permitem maior desempenho com menor energia. Isso pode ser um fator importante em dispositivos móveis que funcionam com baterias. Uma vez que cada núcleo em multicore é geralmente mais eficiente em termos energéticos, o chip se torna mais eficiente do que ter um grande núcleo único e monolítico.

6 As outras vantagens quase que por completo relacionam-se com a capacidade de processamento, principalmente quando se trata da execução de mais de um aplicativo ao mesmo tempo ou mesmo e aplicativos capazes de realizar o seu processamento paralelamente, conseguindo assim trabalhar com dois ou mais núcleos concomitantemente. Nos processadores mais recentemente desenvolvidos existe também uma melhora no acesso a memória e na troca de dados entre os próprios núcleos. Porém, é importante destacar também que para que a qualidade de processamento paralelo dos multicores seja utilizada na sua totalidade os softwares instalados na máquina devem ser escritos para aproveitar esse recurso; para isso as aplicações devem ser escritas utilizando e armazenando os conceitos de threads, assim uma única aplicação utilizará o poder de processamentos dos dois ou mais processadores. Desvantagens Processadores multicore possuem um bom desempenho, performance, disponibilidade e segurança a um menor custo. Por outro lado, esta tecnologia possui algumas desvantagens, entre as principais podemos destacar: O aumento da utilização dos recursos computacionais fornecidos por processadores multicore requerem ajustes, tanto para o sistema operacional de apoio quanto para o software aplicativo já existente. A capacidade dos processadores multi-core depende da utilização de vários segmentos dentro das aplicações para aumentar o desempenho da aplicação. Comercial Core Duo, processador dual-core. Core 2 Duo, processador dual-core. Core 2 Quad, 2 processadores dual-core embutido em um multi-chip. Core i3, Core i5 e Core i7, família de processadores multi-core. São os sucessores do Core 2 Duo e do Core 2 Quad. Xeon processadores dual-, quad-, hexa-, octo- e 12-core. Referências STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 8. ed. São Paulo: Pearson Pratice Hall, TANENBAUM. Andrew S. Organização estruturada de computadores. 6. ed. São Paulo: Pearson Pratice Hall, Wikipédia. Multinúcleo. Disponível em <https://pt.wikipedia.org/wiki/multin%c3%bacleo>. Acesso em 26 de julho de 2016.

7 Questões 1. Quais componentes fazem parte da CPU? Cite e explique-os. 2. O que são os registradores? 3. Cite duas formas de paralelismo. 4. Qual a vantagem do pipeline em relação a não usar paralelismo? Cite e explique um exemplo (pode ser em relação ao tempo de execução de algumas instruções). 5. O que é multicore (multinúcleo)? 6. Em relação aos modelos Core i da Intel (#partiugoogle): a) Qual a última versão lançada? b) Quantos núcleos cada modelo tem?

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