Arquitetura de Computadores Pentium 4 e PCIe

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1 Pentium 4 Arquitetura de Computadores Pentium 4 e PCIe O Pentium 4 é um descendente direto da CPU 8088 usada no IBM PC original. O primeiro Pentium 4 foi lançado em novembro de 2000 com uma CPU de 42 milhõcs de transistores que funcionava em 1.5 GHz com uma largura de linha de 0.18 mícron. Posteriormente foram lançadas versões de 55 milhões de transistores que funcionavam a velocidades de até 3.2 GHz com larguras de linha de 0.09 mícron. Pentium 4 ISA Do ponto de vista de software, o Pentium 4 é uma máquina completa de 32 bits. Mesmas características ISA de nível de usuário que os chips 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium Pro e Pentium III. Possui um conjunto adicional de instruções destinadas a multimídia. Da perspectiva de hardware, o Pentium 4 é em parte uma máquina de 64 bits, já que pode transferir dados de e para a memória em unidades de 64 bits. Pentium 4 - Microarquitetura Pentium, Pentium II, Pentium Pro e o Pentium III usavam a mesma microarquitetura interna, denominada P6. O Pentium 4 usa uma nova microarquitetura, denominada NetBurst, que é bem diferente da P6. Tem um paralelismo mais profundo. 2 ULAs, funcionando ao dobro da frequência de clock Hiperthreading dois conjuntos de rcgistradores e alguns outros recursos internos que permitem que o Pentium 4 passe de um programa para um outro com muita rapidez, como se o computador contivesse duas CPUs físicas. Pentium 4 - Cache Alguns modelos do Pentium 4 têm cache de dois níveis e alguns de três níveis. Todos os modelos têm no chip uma cache SRAM de 8 KB de nível I (LI). Diferente da cache LI do Pentium III que apenas armazena bytes brutos vindos da memória, o Pentium 4 armazena microinstruções decodificadas. A cache de nível 2 armazena códigos e dados, brutamente, até 256 KB nos modelos mais antigos e até 1 MB nos mais novos. O Pentium 4 Extreme Edition também tem uma cache nível 3 de 2 MB para elevar ainda mais o desempenho. Pentium 4 Barramentos Externos Nos sistemas Pentium 4 são usados dois barramentos primários externos síncronos. Barramento de memória é usado para acessar a (S)DRAM principal O barramento PCI é usado para falar com dispositivos de E/S. Barramentos antigos são ligados ao barramento PCI 1

2 Pentium 4 Consumo de Energia Um problema presente em todos os chips modernos é a energia que consomem e o calor que produzem. O Pentium 4 consome entre 63 e 82 watts, dependendo da freqüência. Pentium 4 Enpacotamento O Pentium 4 vem em um pacote de 35 mm de lado e contém 478 pinos na parte inferior 85 para energia 180 aterrados para reduzir ruídos 198 para sinais 15 para uso futuro Ausência de 2 pinos para auxiliar na montagem Os pinos são organizados em um quadrado de 26 x 26, com um espaço vazio no meio de 14 x 14. Pentium 4 Enpacotamento Pentium 4 Sinais Os 198 pinos para sinais são usados por 56 sinais diferentes, uma vez que alguns dos sinais lógicos usam dois ou mais pinos. Os sinais são do tipo: Requisição Arbitragem do barramento Erro Resposta Dados Interrupções Gerenciamento de Energia Gerenciamento de Calor Gerenciamento de Clock Diversos Pentium 4 Sinais Pentium 4 Arbitragem de Barramento BR0# Usado para requisitar o barramento BPRI# Usado para requisição de alta prioridade LOCK# Usado para travar o barramento enquanto a CPU o está utilizando 2

3 Pentium 4 Requisição A# Utilizado para se enviar um endereço ADS# Utilizado para avisar a um alvo que linhas de endereço enviadas são validas REQ# Determina o tipo de ciclo de barramento (ler uma palavra, escrever um bloco...) Paridade# Utilizado para proteger os sinais A# e REQ# Pentium 4 Erro 5 pinos diversos são utilizados para informar erros do tipo: Ponto flutuante Erros internos Erros de verificação de máquina Outros... Pentium 4 Resposta Contêm sinais usados pelo escravo para devolver informações ao mestre. AS# Contém o código de estado. TRQV# Indica que o escravo (o alvo) está pronto para aceitar dados do mestre. BNR# É utilizado para solicitar um estado de espera quando o alvo endereçado não pode responder a tempo Pentium 4 Dados Contêm sinais usados para transferência de dados. D# é usado para colocar 8 bytes de dados no barramento. DRDY# Utilizado ativado para anunciar que os dados colocados por D# estão presentes. DBSY# E usado para informar ao mundo que o barramento está ocupado no momento em questão. Pentium 4 Interrupções O Pentium 4 pode ser configurado para usar interrupções do mesmo modo que o Também pode usar um novo sistema de interrupção que utilzam dispositivo denominado APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller ). Pentium 4 Gerenciamento de Energia O Pentium 4 pode funcionar em quaisquer de várias tensões predefinidas, mas tem de saber qual delas. Os sinais de gerenciamento de energia são usados para seleção automática de tensão da fonte de energia. O gerenciamento dos vários estados de sono também é feito aqui. uma vez que o sono acontece por razões de gerenciamento de energia. 3

4 Pentium 4 Gerenciamento de Calor Permite que a CPU indique a seu ambiente que está correndo risco de superaquecimento. Um dos pinos é ativado pela CPU caso sua temperatura atinja 130 ºC (266 ºF). Se uma CPU alguma vez se aquecer a essa temperatura, provavelmente estará sonhando com sua aposentadoria e posterior transformação em fogareiro de acampamento. Pentium 4 Outros O grupo Frequência de relógio tem a ver com a determinação da frequência do barramento de sistema. O grupo Dignósticos contém sinais para testar e depurar sistemas de acordo com o padrão de teste IEEE JTAG. O grupo de inicialização trata de inicializar o sistema. o grupo Diversos é uma coleção de sinais variados que inclui um que indica se o soquete da CPU está ocupado, um relacionado à emulação de 8088 e outros sinais que têm várias finalidades especiais. Pentium 4 Paralelismo no Barramento de memória O barramento de memória do Pentium 4 tem alto grau de paralelismo, com até oito transações de barramento ocorrendo simultâneamente. Para permitir o paralelismo, as requisições à memória são denominadas transações e possuem 6 estágios: fase de arbitragem de barramento. fase de requisição. fase de notificação de erro. fase de escuta. fase de resposta. fase de dados. Pentium 4 Paralelismo no Barramento de memória PCIe PCIe Projeto baseado em conexões seriais ponto a ponto de alta velocidade. Toma emprestadas muitas idéias do mundo das redes locais, em especial a Ethernet comutada. Um PC é um conjunto de chips de CPU, memória e controladores de E/S que precisa ser interconectado. PCIe fornece um comutador de uso geral para conectar chips de modo serial 4

5 PCIe O modelo PCIe utiliza um dispositivo que envia um pacote de dados a um outro dispositivo. O conceito de um pacote, que consiste em um cabeçalho e em uma carga útil, é tirado do mundo das redes. O cabeçalho contém informação de controle, o que elimina a necessidade dos muitos sinais de controle presentes no barramento PCI. A carga útil contém os dados a transferir. Na verdade, um PC com PCI Express é uma rede de comutação de pacotes em miniatura. PCIe Pilhas de Protocolos Condizente com o modelo de uma rede de comutação de pacotes, o sistema PCIe tem uma pilha de protocolos em camada. PCIe Camada Física Trata da movimentação de bits de um remetente para um destinatário por uma conexão ponto a ponto. Cada conexão ponto a ponto consiste em um ou mais pares de enlaces simplex, isto é, unidirecionais. Quantidades normais de enlaces :1, 2, 4, 8, 16 ou 32 pares. Cada enlace é denominado via. O número de vias em cada direção deve ser o mesmo. PCIe Camada Física Os dispositivos têm liberdade para começar a transmitir tão logo tenham dados a enviar. Essa liberdade deixa o sistema mais rápido, mas também leva a um problema: Representação de nível baixo quando o mesmo é representado por 0 volts Solução: codificação 8b/10b. PCIe Camada de Enlace A camada de enlace trata da transmissão de pacotes. Ela pega o cabeçalho e a carga útil passados para ela pela camada de transação e acrescenta a eles um número de seqüencia e um código de correção de erro denominado CRC (Cyclic Redundancy Check). Para evitar que um transmissor rápido soterre um receptor lento com pacotes que ele não pode manipular, é usado um mecanismo de controle de fluxo. PCIe Camada de Transação A camada de transação trata das ações do barramento. Ler uma palavra da memória requer duas transações: Uma iniciada pela CPU ou canal DMA que está requisitando alguns dados Outra iniciada pelo alvo que está fornecendo os dados. 5

6 PCIe Camada de Transação Pode dividir cada via em até oito circuitos virtuais, cada um manipulando uma classe de tráfego diferente. Pode rotular pacotes de acordo com sua classe de tráfego, o que pode incluir atributos como: Alta prioridade Baixa prioridade Não-escute Pode ser entregue fora de ordem PCIe Camada de Transação Cada transação usa um dos quatro seguintes espaços de endereços: Espaço da memória Para leituras e escritas comuns. Espaço de E/S Para endereçar registradores de dispositivos. Espaço de configuração Para inicialização do sistema, etc. Espaço de mensagem Para sinalização, interrupções, etc. PCIe Camada de Software A camada de software faz a interface entre o sistema PCIe e o sistema operacional. Ela pode emular o barramento PCI, possibilitando a execução de SOs existentes não adaptados ao PCIe. PCIe Funcionamento 1. Quando é dado um comando à camada de software, esta o passa para a camada de transação. 2. A camada de transação pega o comando e o formula em termos de cabeçalho e carga útil. 3. A camada de enlace recebe o cabeçalho e a carga útil e acrescenta um número de sequência e um CRC. 4. O pacote ampliado é passado para a camada física, que acrescenta informações de enquadramento de dados para formar o pacotc físico. 5. No final o pacote físico é transmitido. 6

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