CURSOS SUPERIORES DE TECNOLOGIA Menor Duração. 6.1 Modo operacional de processadores com 32bits, 64bits e além...

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1 Unidade III 6 ARQUITETURA DE PROCESSADORES 6.1 Modo operacional de processadores com 32bits, 64bits e além... Os dois maiores fabricantes de processadores (Intel e AMD) já lançaram no mercado uma nova série tecnológica que, com certeza, veio para revolucionar o modo de funcionamento dos pequenos cérebros virtuais, ou seja, dos processadores. No mercado já estão disponíveis os novos tipos de processadores 1 com tecnologia de 64bits, mas também o convencional de 32bits. O primeiro proporciona maior desempenho, além de ser mais rápido, entretanto, seu custo é elevado por se tratar de outra arquitetura interna, que veremos a seguir. Ao citar que um determinado processador possui 16 bits, 32 bits ou 64 bits estamos nos referindo aos bits internos do chip, ou seja, à quantidade de dados e instruções que o processador consegue calcular por vez. Por exemplo, com 16 bits, um processador pode calcular um número de valor até Se certo número tem o valor de , ele terá que fazer a operação em duas vezes. Já se um chip trabalha a 32 bits, ele pode manipular números de valor até em uma única operação. Esse limite é calculado elevando 2 à quantidade de bits internos do processador, logo, se pegarmos como exemplo a tecnologia 64 bits teremos: ^19 Resposta: um valor suficientemente alto para um humano imaginar... Suponha que você esteja utilizando um editor de textos. É improvável que esse programa chegue a utilizar valores grandes em suas operações. Nesse caso, qual a diferença entre utilizar um processador de 32 bits ou de 64 bits, sendo que o primeiro será suficiente? Como o editor utiliza valores suportáveis tanto pelos chips de 32 bits quanto pelos de 64 bits, as instruções relacionadas serão processadas ao mesmo tempo (considerando que ambos os chips tenham o mesmo clock). Por outro ângulo, aplicações em 3D ou programas como AutoCad requerem boa capacidade para cálculo e aí um processador de 64 bits pode fazer a diferença. Imagine que determinadas operações utilizem valores superiores a Um processador de 32 bits terá que realizar cada etapa em duas vezes ou mais, dependendo do valor usado no cálculo. Todavia, um processador de 64 bits fará esse trabalho uma única vez em cada operação. 1 Veja no site Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 1

2 Outro fator importantíssimo e correlacionado com um bom desempenho da arquitetura do processador é o sistema operacional. Se se colocar um sistema operacional de 32 bits para rodar em um computador com processador de 64 bits, o primeiro não se adaptará automaticamente e continuará mantendo sua forma de trabalho. Assim, será necessário o desenvolvimento de sistemas operacionais capazes de rodar a 64 bits. A fase de criação de um sistema operacional para trabalhar a 64 bits não é tão trivial assim. Na verdade, é necessário que o SO seja compatível com um processador ou com uma linha de processadores, já que pode haver diferenças entre os tipos existentes. Em outras palavras, o sistema operacional precisa ser compatível com chips da AMD ou com chips da Intel. Melhor se for com ambos. Dica: Muitos com certeza já pensaram em querer ter um processador de 64 bits, mas não têm total certeza se suas aplicações continuarão rodando. Para isso é bom avaliar o histórico de cada um. Existem processadores que só executam aplicações de 64 bits, como o Intel Itanium. Assim, uma versão de 32 bits de um sistema operacional não roda nele. Por outro lado, processadores Athlon 64 são capazes de trabalhar tanto com aplicações de 32 bits quanto de 64 bits, o que o torna interessante para quem pretende usar um SO de 32 bits inicialmente e uma versão de 64 bits posteriormente. É importante que se diga que quando falamos de 32 bits ou 64 bits não estamos nos referindo diretamente a "velocidade", mas a "capacidade". Comparese a uma locomotiva cujo motor é preparado para suportar mais vagões. Ela Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 2

3 carregará mais, o que diminuirá a quantidade de viagens, mas não haverá interferência em sua velocidade. 6.2 Velocidade do núcleo No círculo da informática está na moda dizer que acabou de sair um processador com dois, três ou quatro núcleos. Os grandes fabricantes divulgam isso como sendo o fator principal ou determinante da velocidade do processador, o que é verdade, mas qual será a real função desse tão falado núcleo? Será que ele é mesmo só o motor do processador? Vejamos a seguir para que serve o famoso núcleo (em inglês: core) que inspira as propagandas dos computadores atuais. 2 Dual core em português significa dois núcleos, ou seja, há dois núcleos de processamento embutidos em um chip em vez de apenas um (single core). Não equivale exatamente a ter dois processadores simultâneos, mas produz um resultado interessante, principalmente para quem trabalha com várias janelas e/ou muitos aplicativos abertos ao mesmo tempo. Na prática, o uso de dual core ainda não tem utilidade para jogos, mas existe certa diferença no ganho de desempenho para aplicativos de Internet e para as pessoas que adoram ter dezenas de programas abertos ao mesmo tempo.,nesse patamar, a AMD trabalha com o Athlon X2 e a Intel com o Pentium D. A AMD ampliou seus investimentos na criação de um processador de quatro núcleos como parte de um plano tecnológico desde meados de 2007 onde seria lançado um novo design de núcleo, similar ao utilizado pelos processadores Opteron e Athlon 64. Esse processador contaria com quatro núcleos conectados por uma nova versão da tecnologia de interconexão Hypertransport e suportaria memória DDR3 (Double Data Rate 3). Em meados de 2009, sendo realidade consolida o Processadores AMD Phenom X4 de quatro núcleos e AMD Phenom X3 de três núcleos para casa. Conforme link : Segue como os 4 processadores estão sendo definidos: 2 Veja no site Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 3

4 No início de 2006 a Intel revelou que esperava vender 60 milhões de chips de núcleo duplo nesse ano e esperava colocar seu primeiro processador de núcleo quádruplo no mercado em Em meados do final de 2009 e início de 2010, consolida com a família: processador Intel Core i3 2010, processador Intel Core i5 2010, processador Intel Core i7 2010, onde a Tecnologia Intel Hyper-Threading 2,permite o processamento multitarefa em oito vias e quatro vias permite que cada núcleo do processador trabalhe em duas tarefas ao mesmo tempo, proporcionando maior desempenho. Vista no link: ci5dtop_br_2core im17dac s O chip Clovertown agrupa quatro processadores em um único pacote, permitindo que computadores processem dados mais rápido ou executem mais aplicativos ao mesmo tempo, usando menos energia que um design de núcleo único. O Clovertown é dirigido a servidores que acionam redes empresariais e hospedam sites. A previsão era vendê-lo em servidores com baias para dois processadores, o que significa que os computadores teriam até oito núcleos processando dados simultaneamente. 6.3 Cache de memória No lobo temporal do cérebro, os seres humanos armazenam as informações recentes, como as mais utilizadas diariamente. Por exemplo, se alguém pergunta quanto é 2+2, a resposta vem logo à ponta da língua: 4. Entretanto, se alguém quiser o resultado exato da raiz quadrada de 111 é muito provável que não obtenha a resposta de imediato, e se uma pessoa consulta uma calculadora para dar o resultado, é bastante provável que no dia seguinte não se lembre com exatidão. Isso ocorre porque essa informação não é tão solicitada ao cérebro como é a resposta 2+2. Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 4

5 Da mesma forma que nosso cérebro tem essa memória temporal, o computador possui em seu cérebro (o processador) a memória cache, que é muito importante, pois ela armazena os dados mais requisitados pelo processador, o que reduz o número de vezes que o processador tem de buscar ou escrever informações na memória RAM. Todos os computadores, a partir do 486, possuem memória cache no próprio processador. Existem dois tipos de memória cache: o cache primário ou cache L1 (level 1), e o cache secundário ou cache L2 (level 2). Quanto maior a quantidade de memória cache, melhor, pois como já foi dito anteriormente, essa memória guarda os dados mais requisitados pelo processador, e se eles não forem encontrados aí, então serão procurados na memória RAM. 6.4 Barramento, clock Com a função de indicar onde se encontram os dados a serem processados ou para onde devem ser enviados, o barramento tem um papel extremamente importante no processamento de dados. A comunicação por esse barramento é unidirecional, razão pela qual só há seta em uma das extremidades da linha no gráfico que representa a sua comunicação. Como o nome deixa claro, é pelo barramento de dados que os dados transitam. Por sua vez, o barramento de controle faz a sincronização das referidas atividades, habilitando ou desabilitando o fluxo de dados, por exemplo. Para você compreender melhor, imagine que o processador necessita de um dado presente na memória. Pelo barramento de endereços, ele obtém a localização desse dado dentro da memória. Como precisa apenas acessar o dado, o processador indica pelo barramento de controle que esta é uma operação de leitura na memória. O dado é então localizado e inserido no barramento de dados, por onde o processador, finalmente, o lê. Em um computador, todas as atividades necessitam de sincronização. O clock serve justamente para isso, ou seja, basicamente atua como de sinal de sincronização. Quando os dispositivos do computador recebem o sinal de executar suas atividades, dá-se a esse acontecimento o nome de "pulso de clock". Em cada pulso, os dispositivos executam suas tarefas, param e vão para o próximo ciclo de clock. A medição do clock é feita em hertz (Hz), a unidade padrão de medidas de frequência que indica o número de oscilações ou ciclos que ocorre dentro de uma determinada medida de tempo, no caso, segundos. Assim, se um processador trabalha a 800 Hz, por exemplo, significa que é capaz de lidar com 800 operações de ciclos de clock por segundo. Repare que, para fins práticos, a palavra quilo-hertz (khz) é utilizada para indicar Hz, assim como o termo mega-hertz (MHz) é usado para indicar 1000 khz (ou 1 milhão de hertz). De igual forma, gigahertz (GHz) é a denominação usada quando se tem MHz, e assim por diante. Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 5

6 Assim, se um processador tem, por exemplo, uma frequência de 800 MHz, significa que pode trabalhar com 800 milhões de ciclos por segundo. As frequências com as quais os processadores trabalham são chamadas também de clock interno. Neste ponto, você certamente já deve ter entendido que é daí que vêm expressões como Pentium 4 de 3,2 GHz, por exemplo. Mas os processadores também contam com o que chamamos de clock externo ou Front Side Bus (FSB), ou, ainda, barramento frontal. O FSB existe porque, devido a limitações físicas, os processadores não podem se comunicar com a memória (mais precisamente com a ponte norte - ou northbridge - do chipset, que contém o controlador da memória) usando a mesma velocidade do clock interno. Assim, quando essa comunicação é feita, é o clock externo, de frequência mais baixa, que é usado. Note que, para obter o clock interno, o processador usa uma multiplicação do clock externo. Para entender melhor, suponha que um determinado processador tenha clock externo de 100 MHz. Como o seu fabricante indica que esse chip trabalha a 1,6 GHz (ou seja, tem clock interno de 1,6 GHz), seu clock externo é multiplicado por 16: 100 x 16 = MHz ou 1,6 GHz. É importante deixar claro, no entanto, que se dois processadores diferentes um da Intel e outro da AMD, por exemplo tiverem clock interno de mesmo valor 2,8 GHz, para exemplificar, não significa que ambos trabalham à mesma velocidade. Cada processador tem um projeto distinto e conta com características que determinam o quão rápido ele é. Assim, um determinado processador pode levar, por exemplo, 2 ciclos de clock para executar uma instrução. Em outro processador, essa mesma instrução pode requerer 3 ciclos. Além disso, muitos processadores especialmente os mais recentes transferem 2 ou mais dados por ciclo de clock, dando a entender que um processador que faz, por exemplo, transferência de 2 dados por ciclo e que trabalha com clock externo de 133 MHz, o faz a 266 MHz. Por esses e outros motivos, é um erro considerar apenas o clock interno como parâmetro de comparação entre processadores diferentes. 3 O número de bits é outra importante característica dos processadores e, naturalmente, tem grande influência no desempenho desse dispositivo. Processadores mais antigos, como o 286, trabalhavam com 16 bits. Durante muito tempo, no entanto, processadores que trabalhavam com 32 bits foram muitos comuns, como as linhas Pentium, Pentium II, Pentium III e Pentium 4 da Intel, ou Athlon XP e Duron da AMD. Alguns modelos de 32 bits ainda são encontrados no mercado, todavia, o padrão atual são os processadores de 64 bits, como os da linha Core 2 Duo, da Intel, ou Athlon 64, da AMD. 3 Veja nos sites: Processadores-O-Corpo-e-o-Cerebro-de-um-Computador/pagina1.html e Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 6

7 6.5 Conjunto de instruções Por se tratar de um assunto bastante técnico e específico, transcrevemos a seguir a definição encontrada no site: Um conjunto de instruções é uma lista de todas as instruções, e todas suas variações, que um processador (ou, no caso de uma máquina virtual, um intérprete) pode executar. Instruções incluem: Aritmética, como somar e subtrair. Instruções de lógica, como e, ou, e não. Instruções de dados, como mover-se, entrada, saída, carregar e armazenar. Instruções de controle de fluxo, tais como goto, se... goto, chamada e retorno. Um conjunto de instruções, ou arquitetura do conjunto de instruções (ISA), é a parte da arquitetura do computador relacionada com a programação, incluídos os tipos de dados nativos, instruções, registros, modos de endereçamento, a arquitetura de memória, interrupções e manipulação de exceções. Um ISA inclui uma especificação do conjunto de códigos de operação, opcodes (linguagem de máquina), os comandos nativos implementados por um processador específico. A arquitetura do conjunto de instruções é diferente da microarquitetura, que é o conjunto de técnicas de design de processadores usados para implementar o conjunto de instruções. Computadores com microarquiteturas diferentes podem compartilhar um conjunto de instruções comuns. Por exemplo, o Pentium da Intel e o Athlon da AMD implementam versões quase idênticas do conjunto de instruções x86, porém têm designs internos radicalmente diferentes. Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 7

8 Esse conceito pode ser estendido para os ISAs únicos como TIMI (Thecnology-Independent Machine Interface), presentes no System/38 IBM e AS/400 IBM. TIMI é um ISA que é implementado por um software de baixo nível que traduzo código TIMI para um código de máquina nativo". Funcionalmente ele se assemelha ao que agora se conhece como máquina virtual. Ele foi projetado para aumentar a longevidade da plataforma e os aplicativosescritos para ele, permitindo que toda a plataforma possa ser movida para um hardware muito diferente sem ter que se modificar o software, exceto o que é traduzido do código TIMI para o código de máquina nativo, e o código que implementa os serviços utilizados pelo código nativo resultante. Isso permitiu que a IBM pudesse mover a plataforma AS/400 de uma arquitetura CISC mais antiga para a arquitetura IBM POWER mais recente sem ter que reescrever ou recopilar qualquer parte do sistema operacional ou software associado a ela que não fosse o referido código de baixo nível. 6.6 Compatibilidades A análise comparativa entre motherboards e processadores corpo e cérebro não é de todo descabida, uma vez que ambos desempenham funções semelhantes e nenhum deles deve ser considerado separado do outro. Portanto, vamos analisar brevemente sobre o que levar em consideração na compra de uma motherboard ou de um processador O processador é considerado o cérebro do computador, pois ele é o circuito integrado responsável pelas funções de cálculo e de tomada de decisão do mesmo. Isso quer dizer que é ele que interpreta e leva as instruções do software. Na maioria das CPUs, essa tarefa é dividida entre uma unidade de controle que dirige o fluxo do programa e uma ou mais unidades de execução que executam operações em dados. A escolha do processador deve ser uma das primeiras decisões de quem vai comprar um computador novo, pois dela depende a seleção de outros componentes como a placa-mãe e a memória. Escolher o processador certo para o seu computador depende principalmente da finalidade e da verba disponível para a compra. Deve-se sempre pesquisar e informar sobre como escolher o processador (compatibilidades, capacidades e requerimentos). A placa-mãe é uma placa de circuito impresso que serve como base e é responsável pela instalação e comunicação de todos os demais componentes, entre eles o processador, a memória RAM, as placas controladoras, o bios (memória ROM), a bateria, o chipset, os conectores (slots de expansão, conector Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 8

9 IDE, SATA, rato, teclado, impressora e USB), os circuitos de apoio, etc. É, por isso, o elemento mais importante e influente quanto à estabilidade e às possibilidades de expansão de um computador, logo, é o que deve ser escolhido com mais atenção. Regra geral, vale mais a pena investir numa boa motherboard e economizar nos componentes restantes do que o contrário. Por isso, não se deve desconsiderar uma pequena pesquisa sobre o computador que se deseja adquirir, suas respectivas características e compatibilidades e os aspectos relevantes que devem ser observados na compra de uma motherboard. Agora, se relacionarmos as compatibilidades entre o processador e os sockets presentes nas placas-mãe, logo perceberemos que até o 386 os processadores eram soldados ou encaixados em soquetes de pressão. Como a frequência das placas-mãe era fixa e ainda não se usava a multiplicação de clock, não existiam muitos motivos para atualizar o processador. As coisas mudaram a partir do 486, que marcou a introdução dos soquetes ZIF (Zero Insertion Force), destinados a facilitar os upgrades de processador. Eles utilizam um sistema de trava por alavanca que permite inserir e remover o processador facilmente, sem precisar fazer força, evitando o risco de danos: Com exceção do slot 1 usado no Pentium II e do slot A usado no Athlon original, daí em diante todos os processadores adotaram o uso de soquetes ZIF, muito embora os encaixes tenham ido mudando conforme foram sendo lançadas novas plataformas. De maneira geral, a Intel é a mais afoita por lançar novos encaixes, já que as mudanças ajudam a popularizar novas tecnologias e, principalmente, ajudam a vender mais placas e chipsets, que são a segunda maior fonte de renda da empresa. A AMD, por outro lado, é tradicionalmente mais conservadora, estendendo o uso das plataformas antigas para aproveitar as oportunidades deixadas pelas mudanças abruptas da Intel. Foi assim com a transição do Pentium MMX para o Pentium II (quando a AMD vendeu zilhões de processadores K6-2 para placas Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 9

10 soquete 7), na malfadada introdução do Pentium 4 com memórias RAMBUS (quando o Athlon soquete A ganhou espaço), na transição para as placas soquete 775 e, mais recentemente, na transição para o Core i5/i7, quando muitos têm optado pelos modelos de baixo custo do Phenom II e Athlon II, que continuam compatíveis com as placas AM2+ usadas pela geração anterior. 6.7 Dispositivos móveis Um processador móvel é um processador central projetado para economizar energia. Pode ser encontrado nos computadores portáteis e telefones celulares. Um chip de CPU projetadas para computadores portáteis, que normalmente é encapsulado em um pacote de chip menor, entretanto importante destacar que, a fim de gastar menos energia, ele usa voltagens menores do que o seu irmão desktop e que tem mais "sleep mode" de capacidade, ou seja, uma tecnologia baseada em Power-on-demmand, que é a capacidade do processador controlar sua entrada ou saída de energia de acordo com o volume de informações que serão processados, e assim consumindo menos energia e menor aquecimento. Um processador móvel pode gerenciar níveis de energia diferentes com seções do chip. Podendo ser desligado totalmente, quando não estiver em uso. Além disso, a frequência de relógio pode ser reduzido sob cargas baixas de frequencia. Isto economiza energia e prolonga a vida útil da bateria. Elaborado por Luiz Lima e Davis Alves Página 10