Hardware Básico. Processador. Professor: Wanderson Dantas

Transcrição

1 Hardware Básico Processador Professor: Wanderson Dantas

2 Processador Este componente é um dos principais responsáveis pelo desempenho de um computador. Um microprocessador é um chip que contem o que chamamos de Unidade Central de Processamento (em inglês, Central Processing Unit, ou CPU). É responsável por buscar e executar instruções existentes na memória. Essas instruções são o que chamamos de linguagem de máquina. São comandos muito simples, como operações aritméticas e lógicas, leituras, gravações, comparações e movimentações de dados. Essas instruções simples, quando agrupadas, formam o que chamamos de programas.

3 Processador Um microprocessador precisa realizar operações de leitura da memória. Nessas leituras o microprocessador recebe as instruções a serem executadas e os dados a serem processados. Também é preciso realizar gravações de dados na memória, para guardar os resultados intermediários e finais do processamento. Não basta ser capaz de realizar leituras e gravações na memória. Um microprocessador também precisa ser capaz de comunicar-se com o mundo exterior. Neste mundo exterior está o usuário que opera o computador. É preciso ler dados provenientes do teclado, bem como transferir dados para o vídeo ou para a impressora. Essas operações são chamadas de entrada e saída ou E/S (em inglês, Input/Output, ou I/O)

4 Processador Portanto, além de processar dados, um microprocessador deve ser capaz de realizar operações de entrada e saída, bem como realizar leituras e gravações na memória.

5 Arquitetura do Processador Etapas básicas do processamento de dados: Entrada, Processamento, Armazenamento e Saída. Para que o computador execute as suas funções é necessário o fornecimento de dados. Este fornecimento ocorre através de dispositivos de entrada, como: Teclado, mouse, scanners, CD, DVD, programas e sistemas, etc. Após a entrada desses dados, ocorre o processamento, função do processador que irá efetuar o processamento de acordo com o objetivo final do processamento, por exemplo, se pressionarmos alguma tecla, será feito o processamento dos sinais elétricos emitidos pelo teclado, e depois exibido o caractere digitado.

6 Arquitetura do Processador A saída ocorre após o processamento, onde a informação resultante é exibida através de algum dispositivo de saída, tais como: monitor, impressora, saída de áudio, etc. Partes do Processador: ULA Executa todas as operações aritméticas e lógicas; Registradores onde os dados são temporariamente armazenados; Deles, a ULA, extraí as instruções sobre as operações específicas a serem realizadas e sobre o segmento da memória RAM onde esvaziará seus resultados depois de executar todas as instruções; Controle controla o fluxo de informações e a ordem de execução do programa; Relógio sincroniza perfeitamente a execução das operações.

7 Processadores RISC x Processadores CISC Um processador CISC (Complex Instruction Set Computer, ou Computador com um conjunto complexo de instruções), é capaz de executar várias centenas de instruções complexas diferentes, sendo extremamente versátil. Exemplos de processadores CISC são o 386 e o 486. No começo da década de 80, a tendência era construir chips com conjuntos de instruções cada vez mais complexos. Alguns fabricantes porém, resolveram seguir o caminho oposto, criando o padrão RISC (Reduced Instruction Set Computer, ou computador com um conjunto reduzido de instruções).

8 Processadores RISC x Processadores CISC Ao contrário dos complexos CISC, os processadores RISC são capazes de executar apenas algumas poucas instruções simples. Justamente por isso, os chips baseados nesta arquitetura são mais simples e muito mais baratos. Outra vantagem dos processadores RISC, é que, por terem um menor número de circuitos internos, podem trabalhar à frequências mais altas. Um exemplo são os processadores Alpha, que em 97 já operavam a 600MHz.

9 Processadores RISC x Processadores CISC Pode parecer estranho um chip que é capaz de executar algumas poucas instruções, possa ser considerado por muitos, mais rápido do que outro que executa centena delas, seria como comparar um professor de matemática com alguém que sabe apenas as quatro operações. Mas o que acontece, é que um processador RISC é capaz de executar tais instruções muito mais rapidamente. A ideia principal, é que apesar de um processador CISC ser capaz de executar centenas de instruções diferentes, apenas algumas são usadas frequentemente. Poderíamos então criar um processador otimizado para executar apenas estas instruções simples, que são usadas mais frequentemente. Em conjunto com um software adequado, este processador seria capaz de desempenhar quase todas as funções de um processador CISC, acabando por compensar suas limitações com uma maior velocidade de processamento.

10 Processadores RISC x Processadores CISC É indiscutível, porém, que em instruções complexas os processadores CISC saem-se melhor. Por isso, ao invés da vitória de uma das duas tecnologias, atualmente vemos processadores híbridos, que são essencialmente processadores CISC, mas incorporam muitos recursos encontrados nos processadores RISC (ou vice-versa). Apesar de por questões de Marketing, muitos fabricantes ainda venderem seus chips, como sendo Processadores RISC, não existe praticamente nenhum processador atualmente que siga estritamente uma das duas filosofias. Por que ficar de um lado ou de outro, se é possível juntar o melhor dos dois mundos? A última coisa que os fabricantes de processadores são é teimosos, sempre que aparece uma solução melhor, a antiga é abandonada.

11 Algumas Características do Processador

12 Número de Bits Internos Daqui vem as terminologias micro de 8 bits, micro de 16 bits e micro de 32 bits. Dentro de um microprocessador existem vários circuitos que armazenam, transportam e processam dados. Quanto maior é o número de bits de um microprocessador, mais velozmente poderão ser realizados cálculos e processamento de instruções em geral. Veja, por exemplo, os limites de números inteiros positivos que podem ser manipulados com 8, 16 e 32 bits: 8 bits 0 a bits 0 a bits 0 a

13 Número de Bits Externos Para que um microprocessador seja rápido, é preciso que ele seja capaz de manipular instruções em alta velocidade. Essas instruções são armazenadas na memória, e portanto, é preciso que a memória seja acessada em alta velocidade. Em conjunto com a execução de instruções, o microprocessador também lê e armazena dados na memória, o que é mais uma razão para que a memória seja rápida. A velocidade de transferência de dados entre o microprocessador e a memória está diretamente relacionada com o número de bits do seu barramento de dados (em inglês, DATA BUS). Trata-se de um conjunto de sinais digitais que ligam o microprocessador à memória e aos dispositivos de entrada e saída de dados.

14 Clock Interno Também chamado de frequência, o clock de um microprocessador também está diretamente relacionado com o número de instruções que podem ser executadas a cada segundo. O 8086 e o 8066, nas suas primeiras versões, operavam a 5 MHz. Isto não significa exatamente 5 milhões de instruções por segundo, e sim 5 milhões de CICLOS por segundo. Algumas instruções mais simples podiam ser executadas em apenas dois ciclos. Desta forma, em um segundo seria possível executar dessas instruções.

15 Clock Interno Com o passar do tempo e a evolução da tecnologia foi possível desenvolver microprocessadores capazes de operar com clocks mais elevados, e o que é mais importante, executar instruções em um reduzido número de ciclos. Os microprocessadores mais modernos são capazes de executar a maioria das instruções em apenas um ciclo. Todos os microprocessadores são lançados em uma primeira versão, com um certo valor de clock, em geral mais elevado que o seu antecessor. Depois disso, o fabricante melhora a sua tecnologia e lança novas versões, operando com clocks mais elevados.

16 Clock Externo Desde o processador 486DX2 os processadores trabalham com um esquema chamado multiplicação de clock, que faz com que o processador trabalhe internamente a uma frequência de operação maior que o meio externo. Esta é a frequência que o processador utiliza para comunicar-se com a placa-mãe.

17 Resumindo Bit interno: é a capacidade interna com a qual o processador opera; Bit externo: é a capacidade com que o processador envia os dados; Clock interno: é a frequência interna do processador; Clock externo: é a frequência que o processador transmite os dados.

18 Capacidade de Endereçamento Aqui está um fator que não está exatamente relacionado com a velocidade, e sim com a capacidade de manipular grandes quantidades de dados. A capacidade de endereçamento nada mais é que o máximo tamanho que pode ter a memória, ou seja, o número máximo de células de memória que um microprocessador consegue acessar. Para acessar uma célula (ou posição) de memória, o microprocessador precisa informar qual é o endereço desta célula. Cada célula armazena um byte. Microprocessadores com barramento de dados de 16 bits podem acessar duas células de uma só vez. Aqueles com barramentos de dados com 32 e 64 bits podem acessar até 4 e 8 células, respectivamente. Para saber a quantidade máxima de memória que um microprocessador pode acessar, basta saber o número de bits do seu barramento de dados e calcular 2 elevado a este número.

19 Memória Cache Interna Os microprocessadores experimentaram ao longo dos anos, grandes avanços na velocidade de processamento. As memórias também experimentaram avanços significativos, mas muito inferiores. No início dos anos 80, eram comuns as memórias DRAM com 250 ns de tempo de acesso. As atuais DRAM mais velozes apresentam 60 ns de tempo de acesso, ou seja, são apenas 4 vezes mais rápidas. O resultado disso é em grande desequilíbrio entre a velocidade do microprocessador e a velocidade da memória.

20 Memória Cache Interna Este problema é antigo, pois já ocorria com os computadores de grande porte durante os anos 60. Com os microprocessadores, só passou a existir tal problema a partir de 1990, aproximadamente. Antes disso os microprocessadores, sendo mais lentos, ficavam perfeitamente sintonizados com a velocidade das memórias. As memórias, mesmo sendo relativamente lentas, ainda eram capazes de entregar dados na velocidade exigida pelos microprocessadores. Somente quando seu clock chegou a 25 MHz, os microprocessadores passaram a ter seu desempenho penalizado pela baixa velocidade das memórias.

21 Baixa Velocidade O preço baixo e o alto grau de miniaturização fizeram com que a DRAM fosse o tipo de memória mais indicado para os microcomputadores. A sua baixa velocidade não chegava a ser um problema, pelo menos até Existe um outro tipo de memória RAM que apresenta uma velocidade de operação muito mais alta. É chamada de SRAM (memória Estática).

22 Baixa Velocidade A solução utilizada pela indústria foi a mesma usada nos computadores de grande porte a partir dos anos 60. Chama-se de Memória CACHE. É formada por uma pequena quantidade de SRAM, usada para acelerar uma grande quantidade de DRAM. Quando o microprocessador precisa ler os dados da DRAM, estes são antes transferidos para a cache (isto não é feito pelo microprocessador, e sim por um circuito especial chamado controlador de cache ). O microprocessador obtém os dados diretamente da cache e enquanto esses dados estão sendo lidos, o controlador de cache se antecipa e acessa mais dados da DRAM, transferindo-os para a memória cache. O resultado é que, na maior parte do tempo, o microprocessador encontra dentro da cache os dados que precisa.

23 Este processo funciona bem porque, mesmo com grandes quantidades de memória, um microprocessador passa bastante tempo utilizando trechos pequenos. Este tipo de cache, localizada dentro do microprocessador, é chamada de: Cache Interna; Cache Primária; Cache L1; Cache de nível 1.

24 Os microprocessadores 386 não tinham cache interna e nem precisavam dela enquanto operavam com até 20 MHz. Com o lançamento de versões de 25, 33 e 40 MHz, o baixo desempenho da memória DRAM obrigou os fabricantes a lhe acrescentarem memória cache. Esta cache não era localizada dentro do microprocessador. Era formada por chips de memória SRAM, e era chamada de: Cache externa; Cache secundária; Cache L2; Cache de nível 2.

25 Memória Cache Externa As memórias DRAM são muito lentas para serem a base do funcionamento dos computadores, ou seja, as DRAM são usadas por terem muita capacidade de armazenamento. Porém, como a velocidade é o fator mais importante do computador, as memórias SRAM são a resposta para a velocidade. A memória Cache é baseada em conjuntos de chips de memória SRAM com tamanho máximo de 64, 128, 256, 512 e 1024 KB por placa mãe.

26 Sinais de Controle No processador, nós temos três tipos de barramentos básicos, barramento de dados, barramento de endereços e barramento de controle. No barramento de dados é onde trafegam os dados que são transmitidos ou recebidos pelo microprocessador. Os dados transmitidos podem ser enviados para a memória ou para um dispositivo de saída, como o vídeo. O barramento de endereços serve para que o microprocessador especifique qual é a posição de memória a ser acessada ou qual é o dispositivo de entrada e saída a ser ativado. Os microprocessadores possuem, além do barramento de dados e de endereço, o chamado barramento de controle, no qual existe uma miscelânea de sinais digitais com diversas finalidades. Alguns exemplos de sinais deste barramento são:

27 MIO Este sinal indica se a operação diz respeito à memoria ou a E/S.

28 RW Este sinal indica se a operação é uma leitura ou uma gravação. Através desses dois sinais, podem ser definidas quatro operações básicas: Leitura de memória; Escrita na memória; Leitura de E/S; Escrita em E/S.

29 INT Este sinal é uma entrada que serve para que dispositivos externos possam interromper o microprocessador para que seja realizada uma tarefa que não pode esperar. Por exemplo: a interface de teclado interrompe o microprocessador para indicar que uma tecla foi pressionada. Esta tecla precisa ser lida e seu código deve ser armazenado na memória para processamento posterior. As interfaces de drivers e do disco rígido interrompem o microprocessador para avisar o termino de uma operação de leitura ou escrita. Vários outros dispositivos também precisam gerar interrupções. Como existe apenas uma entrada INT, o microprocessador opera em conjunto com um chip chamado Controlador de Interrupções. Este chip é encarregado de receber requisições de interrupção de vários dispositivos e enviá-las ao microprocessador, de forma ordenada, através do sinal INT.

30 NMI Este é um sinal de interrupção especial para ser usado em emergências. Significa Non Maskable Interrupt, ou Interrupção Não Mascarável. Em outras palavras, esta interrupção deve ser atendida imediatamente. Ao contrário do sinal INT, que pode ser ignorado pelo microprocessador durante pequenos intervalos de tempo (isto se chama mascarar a interrupção), o sinal NMI é uma interrupção não mascarável. Nos PCs, o NMI é usado para informar erros de paridade na memória.

31 INTA Significa Interrupt Acknowledge, ou seja, reconhecimento de interrupção. Serve para o microprocessador indicar que aceitou uma interrupção e que está aguardando que o dispositivo que gerou a interrupção identifique-se, para que seja realizado o atendimento adequado.

32 VCC Esta é a entrada de corrente elétrica que alimenta os circuitos internos do microprocessador. Até pouco tempo atrás, os microprocessadores operavam com 5 volts, mas atualmente são comuns os que usam tensões da ordem de 3 volts.

33 GND Significa Ground ou Terra. Deve ser ligado ao polo negativo da fonte de alimentação (não se preocupe, você não precisa fazer essas ligações, basta conectar a fonte de alimentação na placa mãe e os pinos VCC e GND de todos os chips que estarão ligados). Na verdade, para obter uma melhor distribuição de corrente, os microprocessadores usam vários pinos VCC e GND.

34 RESET Este é um sinal que está ligado indiretamente ao botão RESET do painel frontal do gabinete. Ao ser ativado, o microprocessador para tudo e atua como se tivesse acabado de ser ligado.

35 CLOCK Esta entrada deve receber um sinal digital que será usado internamente para sincronizar todo o funcionamento do microprocessador.

36 Encapsulamentos O núcleo do processador não pode ficar exposto e necessita dissipar o calor gerado por sua operação. Assim, os processadores têm seu núcleo envolvido por uma substancia que pode ser cerâmica, plástico ou um waffer. Temos ainda os encapsulamentos SEPP (Single Edge Processor Package) onde o processador não tem pinos para conectar-se a placa mãe, mas um encaixe linear único; SECC que também é um circuito de encaixe linear único, acrescentando um cartucho que envolve todo o circuito do processador e SECC2, diferenciando-se do SECC por possuir apenas uma face do circuito, protegida por um cartucho, ficando exposta a outra face onde se instala o cooler.

37 Soquetes de Processadores Confira a lista completa de Soquetes de Processadores em:

38 Curiosidade

39 Problemas causados pelo Processador Ao contrário de outros componentes, como por exemplo os discos rígidos, os CD-ROMs, onde é muito comum componentes já bem rodados apresentarem defeitos, é raro um processador chegar a queimar, mesmo quando usado por anos a fio. O defeito mais comum apresentado pelos processadores é o superaquecimento. Como a maioria dos dispositivos elétricos, um processador gera uma quantidade considerável de calor, consequentemente necessitando de refrigeração adequada. Na falta desta, o processador pode facilmente se superaquecer, fazendo com que o micro trave. O processador vai aquecendo até o ponto em que simplesmente para de funcionar.

40 Problemas causados pelo Processador Ao reiniciar o micro, o equipamento funcionará normalmente por algum tempo e travará de novo. E assim será até que o problema seja resolvido. Em casos menos patológicos pode ser que o micro só trave em dias muito quentes, ou quando é rodado um aplicativo mais pesado, um jogo de última geração por exemplo. Lógico que o micro pode travar por muitos outros fatores, que vão de aplicativos mal escritos a defeitos em outros componentes, como na memória RAM, mas no caso dos travamentos causados por superaquecimento do processador é fácil perceber, pois o micro ficará congelado do nada, ou simplesmente reiniciará sozinho de forma aleatória.

41 Problemas causados pelo Processador O resfriamento adequado do processador é feito por dois componentes, o cooler e a pasta térmica. O cooler é composto pelo dissipador metálico e pelo ventilador que são fixados sobre o processador, enquanto a pasta térmica é uma pasta branca que deve ser colocada em pequena quantidade entre o processador e o cooler, de modo que a transmissão de calor entre os dois seja perfeita.

42 Evolução dos Processadores

43 1971 Intel 4004 A Intel lançou seu primeiro processador. O Intel 4004 era usado apenas em calculadoras e tinha capacidade de processamento de 8 bits.

44 Altair Apenas 4 anos mais tarde o mundo conheceu o primeiro computador pessoal. A empresa MITS lançou o Altair 8800 em 1975, com o processador 8080 da Intel, que apresenta a velocidade de processamento de 2 MHz.

45 1978 IBM PC Usando o processador 8088 da Intel, IBM PC foi um sucesso absoluto, vendendo cinco vezes mais do que planejado pela empresa em seu ano de lançamento.

46 1982 Intel 286 Em 1982, a Intel lançou seu novo processador 80286, sucessor do 8086/8088, com velocidades entre 6 MHz e 25 MHz. Neste mesmo ano, a AMD (Advanced Micro Devices) surgiu como uma empresa de processadores, trabalhando com os modelos da Intel, já que a IBM começou a exigir pelo menos duas indústrias para o fornecimento de processadores para suas máquinas.

47 1984 Intel 286/IBM PC AT O Intel só foi usado comercialmente a partir de 1984, justamente no sucessor do IBM PC, o IBM PC AT. Ao manter a compatibilidade dos aplicativos criados para o IBM PC, a empresa levou o computador pessoal a um novo patamar.

48 1985 Intel 386 Também em 1985, a Intel lança o sucessor do processador O 80386, com velocidades entre 12 MHz e 40 MHz, foi o primeiro processador a trazer instruções de 32 bits (as mesmas instruções usadas até hoje. O chip também foi o primeiro a receber variações dentro da mesma arquitetura, com versões SX (de baixo custo), SL (com instruções próprias para computadores portáteis) e DX (versão original, que recebeu a sigla para se destacar perante as variações).

49 1987 Intel 486 Com velocidades entre 16 MHz e 100 MHz, recebeu várias versões, e foi o primeiro chip a permitir que mais de uma instrução fosse processada no mesmo ciclo de processamento. Porém, tanto processamento tem um preço. Os chips 486 foram os primeiros a precisar de um sistema de refrigeração pequenos dissipadores em cima dos chips e isto apenas aumentou com o passar dos anos.

50 1993 Intel Pentium Com velocidades entre 60 MHz e 300 MHz, foi um sucesso de mercado graças também ao sucesso do Windows 95, que usava (e abusava) do processamento. Um ano depois, surgiu a linha Pentium MMX, com as mesmas características, com instruções de processamento voltadas para aplicação multimídia.

51 1995 Intel Pentium Pro Surgiu o oficial sucessor do Pentium. A linha de processadores Pentium Pro, com velocidades entre 150 MHz e 200 MHz era mais veloz que os processadores Pentium originais, mas não traziam as instruções multimídia dos modelos MX.

52 1996 AMD K5 No ano seguinte, a AMD lançou seu primeiro processador rival do Pentium feito com tecnologia própria. O AMD K5 não conseguiu uma porcentagem significativa de mercado, pois era mais lento do que os modelos Pentium compatíveis.

53 1997 Intel Pentium II A Intel lança o Pentium II, com velocidades entre 233 MHz e 450 MHz.

54 1997 AMD K6 A AMD lançou seu processador K6, com velocidades entre 166 MHz e 300 MHz. É a primeira ameaça real ao mercado da Intel, já que oferecia o mesmo processamento do Pentium com preços menores.

55 1998 Intel Celeron / Xeon A Intel decidiu contra atacar em 1998, dividindo sua família de processadores em três: Pentium para o mercado doméstico, Celeron para computadores de baixo custo e Xeon, para servidores que precisavam de alto desempenho.

56 1998 AMD K6-2 O K6-2 foi designado para ser um competidor dos significativamente mais caros e mais antigos Intel Pentium II. A performance dos dois chips eram equivalentes: os AMD K6-2 tendiam a serem mais rápidos em computadores de uso geral, e os Intel eram superiores em provas de FPU (Unidade existente dentro do processador, responsável pela a execução de cálculos científicos (chamados de ponto flutuante)).

57 1999 Intel Pentium III / AMD Athlon Em 1999, Intel e AMD lançaram seus novos processadores. Enquanto o Pentium III apresentava velocidades entre 450 MHz e 1.4 GHz, o AMD ganhou várias revisões, que permitiram velocidades entre 500 MHz e 2.33 GHz. Ambas empresas mudaram levemente a arquitetura de seus chips, mas melhorias feitas nas revisões do Athlon permitiram que o mesmo tivesse uma vida comercial bem maior do que os processadores Pentium III.

58 2000 Intel Pentium IV Com uma nova arquitetura completamente diferente da usada desde os processadores Pentium Pro, com velocidades entre 1.3 GHz e 3.8 GHz.

59 2000 AMD Athlon XP Enquanto isso, a AMD lançava a versão mais famosa do Athlon, chamada de Athlon XP (uma referência não oficial ao Windows XP).

60 2005 AMD Athlon X2 64 A AMD mais uma vez inovou no mercado de processadores domésticos, sendo a primeira empresa a lançar um processador dual core para o mercado de PC s. A nova arquitetura permitiu ter dois núcleos de processamento num único chip de processador, aumentando o desempenho do mesmo sem a necessidade de aumentar a velocidade de processamento.

61 2006 Intel Core A Intel chamou a atenção do mercado em 2006 com a linha de processadores Core Duo e Core Solo (respectivamente com dois e um núcleo).

62 2007 Intel Core 2 No ano seguinte, os sucessores da linha Core 2 apresentavam versões Solo (com um núcleo), Duo (com dois núcleos), Quad (com 4 núcleos) e Extreme (com dois ou 4 núcleos.)

63 Dúvidas?? Se não, Obrigado!