PCS-2529 Introdução aos Processadores Prof. Dr. Paulo Sérgio Cugnasca 1
1. INTRODUÇÃO 2
1. INTRODUÇÃO Computador Digital: É uma máquina capaz de solucionar problemas através da execução de instruções que lhe são fornecidas. Programa: É uma sequência de instruções que descrevem como executar uma determinada tarefa. Instruções de Máquina: Instruções que o computador é capaz de reconhecer e executar, para as quais todos os programas devem ser convertidos antes que eles possam ser executados. Em geral não são muito complicadas. Exemplos: Somar dois números Verificar se um número é zero Mover um dado de uma parte da memória para a outra 3
1. INTRODUÇÃO Linguagem de Máquina: Linguagem que torna possível as pessoas se comunicarem com o computador, composta pelas instruções primitivas de máquina. Quanto mais complexa a linguagem e, portanto, as instruções, mais complicados são os circuitos eletrônicos para implementá-las. Quanto mais simples a linguagem, mais difícil é a sua utilização. 4
1. INTRODUÇÃO Como tornar a linguagem de máquina (L0) mais simples de ser utilizada? Projetar um novo conjunto de instruções, formando uma linguagem L1, mais fácil de programar. 1 a Alternativa: Tradução Método que consiste na substituição de cada instrução do programa escrito na linguagem L1 por uma sequência de instruções equivalente na linguagem L0. O computador executa o programa em L0. 2 a Alternativa: Interpretação Método em que um programa escrito na linguagem L0 recebe os programas escritos em L1, e cada instrução em L1 é executada por uma sequência equivalente em L0. O computador executa o programa em L0. Comparação entre Tradução e Interpretação: Similares. Ambas executam sequências equivalentes em L0 de cada instrução em L1. Na tradução, o programa em L1 é descartado, obtendo-se um programa equivalente em L0. 5
1. INTRODUÇÃO Máquina Virtual: É um computador hipotético de linguagem de máquina de um nível mais elevado do que a linguagem inerente do computador. Pode-se ter, também, máquinas virtuais baseadas em outras máquinas virtuais. Máquina Multinível: É um computador que possui máquinas virtuais dispostas em camadas, ou níveis, umas sobre as outras. Cada linguagem utiliza a sua predecessora como base. 6
1. INTRODUÇÃO Nível n Nível 3 Máquina Virtual Mn, com linguagem de máquina Ln... Máquina Virtual M3, com linguagem de máquina L3 Os programas em Ln, ou são interpretados por um interpretador em execução em uma linguagem de máquina de nível inferior, ou são traduzidos para a linguagem de máquina de uma máquina de nível inferior. Nível 2 Máquina Virtual M2, com linguagem de máquina L2 Os programas em L2, ou são interpretados por interpretadores em execução em M1 ou M0, ou são traduzidos para L1 ou L0. Nível 1 Máquina Virtual M1, com linguagem de máquina L1 Os programas em L1, ou são interpretados por interpretadores em execução em M0, ou são traduzidos para L0. Nível 0 Computador Real M0, com linguagem de máquina L0 Os programas em L0 podem ser executados diretamente pelos circuitos eletrônicos. 7
1.1. Considerações Sobre Máquinas Virtuais Se uma máquina de linguagem L1 pudesse ser construída a um custo baixo, a máquina de linguagem L0 não existiria. As linguagens L0 e L1 não devem ser muito diferentes, para facilitar o processo de tradução/interpretação. Cada máquina virtual ou real tem a sua linguagem de máquina (instruções que a máquina é capaz de executar). Uma máquina real com linguagem de máquina como o C ou C++ ou Java seria muito complicada para os padrões atuais. O programador de um determinado nível não precisa conhecer os níveis inferiores. O termo Organização Estrutural de Computadores vem desta forma de se visualizar o computador, como um conjunto hierárquico de níveis. 8
1.2. Máquinas Multinível Contemporâneas Em geral, os computadores modernos são máquinas de seis níveis: Nível 5 Nível de linguagem orientada para problemas Tradução (compilador) Nível 4 Nível 3 Nível 2 Nível 1 Nível 0 Nível de linguagem de montagem Tradução (montador) Nível de sistema operacional Interpretação parcial (sistema operacional) Nível de máquina convencional Interpretação (microprograma) ou execução direta Nível de microprogramação Os microprogramas são executados diretamente pelo hardware Nível de lógica digital 9
1.2. Máquinas Multinível Contemporâneas Nível 0 - Nível de Lógica Digital Nível de portas lógicas. Entrada: 0 ou 1 Saída: função simples sobre as entradas (AND, OR, XOR, NOT, etc.). Nível 1 - Nível de Microprogramação É o nível real de linguagem de máquina. Cada computador tem seu nível de microprogramação. Em geral, o número de instruções (micro-instruções) não ultrapassa 20. Maior parte: movimentação de dados. Possui microprogramas executados neste nível: Define uma linguagem de nível 2. Interpreta as instruções de nível 2. Nível 2 - Nível de Máquina Convencional Existe muita semelhança entre os fabricantes neste nível. Cada fabricante tem o seu Manual de Referência de Linguagem de Máquina. 10
1.2. Máquinas Multinível Contemporâneas Nível 3 - Nível de Sistema Operacional É um nível híbrido. Uma parte das instruções deste nível é idêntica às instruções do nível 2, que são interpretadas pelos microprogramas. Outra parte é interpretada pelo sistema operacional. Nível 4 - Nível de Linguagem de Montagem ( Assembly ) Provê um método para as pessoas escreverem programas para os níveis 1, 2 e 3 (linguagem simbólica). Os programas escritos em linguagem de montagem são traduzidos para as linguagens de nível 1, 2 ou 3 e interpretados pela máquina virtual ou real. Quem faz a tradução é o programa montador ( assembler ). Nível 5 - Nível de Linguagem de Alto Nível Exemplos: C, C++, Java, Perl, Python e PHP. Compilador: traduz os programas em linguagem de alto nível para os níveis 3 ou 4. 11
1.2. Máquinas Multinível Contemporâneas Nível 6 e superiores -? Depende da aplicação. Pode ser criado para atender a necessidades específicas. Arquitetura de Computadores ou Organização de Computadores: É o estudo de como projetar as partes de um computador que são visíveis aos programadores. 12
1.3. Evolução das Máquinas Multinível 1940 s: 1951: 2 níveis: lógica digital (Nível 0) e máquina convencional (Nível 2). Difícil de entender e de construir. Não confiáveis. 3 níveis: lógica digital (Nível 0), microprogramação (Nível 1) e máquina convencional (Nível 2). Interpretador embutido e imutável. Simplificação do hardware: passa a ter que executar microprogramas. Maior confiabilidade (menos válvulas). 1950 s: Surgimento dos montadores e compiladores. 13
1.3. Evolução das Máquinas Multinível 1960 s: Surgimento do nível de sistema operacional. Sistemas batchs (em lote). Sistemas time-sharing (tempo compartilhado). 1970 s: Generalização da interpretação e nível de microprogramação. 14
1.4. Hardware, Software e Máquinas Multinível Hardware do computador: É o conjunto de três elementos: Circuitos eletrônicos Memória Dispositivos de Entrada e Saída (E/S). Software: É o conjunto de instruções que constituem os programas, armazenados em algum meio físico. Firmware: É o software embutido no dispositivo eletrônico durante a sua fabricação. Exemplos: Software imutável : brinquedos, instrumentos, BIOS. Hardware e Software são logicamente equivalentes! Uma determinada operação pode ser implementada diretamente por hardware ou simulada por software. ADD - soma de dois operandos. MULT - multiplicação de dois elementos. 15
1.4. Hardware, Software e Máquinas Multinível Atualmente, muitas das operações antigamente programadas no nível de máquina convencional (Nível 2) passaram a ser executadas pelo hardware ou microprogramas. 1. Instruções para multiplicação e divisão de inteiros. 2. Instruções aritméticas de ponto-flutuante. 3. Instruções aritméticas de dupla precisão (aritmética de números com duas vezes o número de algarismos significativos). 4. Instruções para chamar e retornar de procedimentos. 5. Instruções para acelerar laços (loops). 6. Instruções de contagem (somar 1 a uma variável). 7. Instruções para manipular cadeias de caracteres. 8. Aspectos de aceleração de computações envolvendo matrizes (indexação e endereçamento indireto). 9. Características para permitir que os programas fossem movidos na memória (facilidades de relocação). 10. Relógios para temporizar programas. 11. Sistemas de interrupção que avisam o computador tão logo uma operação de entrada ou saída esteja completada. 12. A capacidade de parar um programa e iniciar outro utilizando poucas instruções (chaveamento entre processos). 16
1.4. Hardware, Software e Máquinas Multinível A fronteira entre o hardware e o software é variável! É transparente se uma determinada instrução é realmente executada por hardware ou por software. A funcionalidade é a mesma. Muda a velocidade. 17
A Geração Zero - Computadores Mecânicos (1642-1945) 1642 - Primeiro computador - Blaise Pascal Computador mecânico com engrenagens e manivelas. Soma, subtração. 1672 - Computador mecânico - Leibniz Equivalente a uma calculadora de bolso: soma, subtração, multiplicação e divisão. 1830 s - Máquina de diferenças - Charles Babbage Cálculo de tabelas para a navegação naval através de somas e subtrações sucessivas (método das diferenças finitas). Perfurava os resultados numa placa de cobre. 18
1834 - Máquina analítica - Charles Babbage Foi a primeira tentativa de se construir um computador digital. Possuía 4 componentes: Armazenamento (memória). Engenho (unidade de cálculo). Seção de entrada (leitora de cartões perfurados). Seção de saída (saída perfurada e impressa). Programação: Ada Byron. 1936 - Z1 - Zuse Primeira máquina calculadora a relés a funcionar. 1940 - Calculadora - Stibbitz Aritmética binária. Memória dinâmica a capacitores (necessitavam de refrescamento). 1944 - Mark I - Aiken 72 palavras de 23 dígitos decimais. Ciclo de instrução de 6 segundos. 19
A Primeira Geração - Válvulas (1945-1955) 1943 - COLOSSUS - Governo Britânico Primeiro computador eletrônico digital do mundo. Segredo militar. 1946 - ENIAC I - Eckert/Mauchley Início da história do computador moderno. Computador e Integrador Numérico Eletrônico. 18.000 válvulas e 1.500 relés. 30 toneladas e consumo de 140 kw. 20 registradores de 10 dígitos decimais. Programação: 6.000 chaves e soquetes. 1949 - EDSAC - Wikes Primeiro computador de programa armazenado. 1951 - Whirlwind I - M.I.T. Primeiro computador de tempo real. 1951 - UNIVAC I - Eckert/Mauchley Primeiro computador vendido comercialmente. 20
1952 - IAS - von Neumann Programação por chaves e cabos era lenta. O programa era armazenado na forma digital na memória junto com os dados. Substituição da representação decimal (10 válvulas por dígito) na memória pela representação digital. Projeto básico é atual: máquina de von Neumann. Memória Unidade de Controle Unidade Lógica e Aritmética Acumulador Entrada Saída 21
Memória: 4096 palavras de 40 bits. Palavra: 40 bits. 2 instruções de 20 bits. 1 n o inteiro 39 bits com sinal. Instrução: 20 bits. 8 bits - tipo de instrução. 12 bits - endereço de 1 palavra na memória. Instruções típicas envolvendo o Acumulador (Ac): Ac Ac + Conteúdo de uma palavra na memória. Memória Ac. 1953-701 - IBM 2K palavras de 36 bits de núcleo de ferrite. 2 instruções por palavra. 1956-704 - IBM 4K palavras de 36 bits. Hardware de ponto-flutuante. 22
A Segunda Geração - Transistores (1955-1965) 1960 - PDP-1 - DEC Primeiro minicomputador (50 vendidos). 4K palavras de 18 bits. Ciclo de instrução de 5 µseg. Custava cerca de US$ 120.000. Display visual (CRT), com 512x512 pontos. 1961-1401 - IBM Máquina comercial de pequeno porte, muito popular. 1962-7094 - IBM Dominou a computação científica no início dos anos 60. 1963 - B5000 - Burroughs Primeira máquina projetada para uma linguagem de alto nível (Algol 60). 1964 - IBM 360 - IBM Primeira linha de produtos projetados como uma família (início). 1964-6600 - CDC Primeira máquina com amplo uso de paralelismo internamente. 23
A Terceira Geração - Circuitos Integrados (1965-1980) 1964... - 360 - IBM Primeira linha de produtos projetados como uma família (continuação). Toda a família com a mesma linguagem de montagem. Multiprogramação: vários programas simultaneamente na memória. Endereçamento de 2 24 (16 Mbytes). Sucessores: 370, 4300, 3080, 3090. Linha baseadas em circuitos integrados. Linha IBM 360: Modelo Propriedade 30 40 50 65 Desempenho Relativo 1 3,5 10 21 Tempo de Ciclo (ns) 1000 625 500 250 Memória Máxima (K) 64 256 256 512 Bytes Buscados por Ciclo 1 2 4 16 N o Máximo de Canais de Dados 3 3 4 6 24
1965 - PDP-8 - DEC Primeiro minicomputador de venda em massa (50.000 unidades vendidas). Barramento: conjunto de fios paralelos para conectar componentes de um computador. Omnibus: CPU (*) Memória Terminal Console E/S de fita de papel Outras E/S (*) CPU: Unidade Central de Processamento. 1970 - PDP-11 - DEC Minicomputadores que dominaram os anos 70. 1974-8080 - Intel Primeira CPU de uso geral em uma única pastilha. 1974 - CRAY-1 - Cray Primeiro supercomputador. Omnibus 1978 - VAX - DEC Primeiro supermini de 32 bits. 25
A Quarta Geração - Computadores Pessoais e VLSI (1980-?) Com a evolução da microeletrônica, tornou-se possível a construção de circuitos integrados com milhões de transistores por chip. Computadores menores, mais rápidos e mais baratos. Diminuem-se as necessidades dos centros de computação muito sofisticados. Passou a ser possível a construção de computadores de uso pessoal (microcomputadores). Processadores de textos, planilhas, divertimento, internet. Divisão, na época, dos computadores: Tipo MIPs (*) típicos (relativo) Mbytes típicos (relativo) Máquina exemplo Exemplo de uso Computador pessoal 1x 1x IBM PS/2 / PC Processamento de textos, etc. Minicomputador 2x 4x PDP-11/84 Controle de tempo real. Supermini 10x 32x SUN-4 Servidor de arquivos (rede). Mainframe 30x 128x IBM-3090/300 Bancos. Supercomputador 125x 1024x Cray-2 Previsão de tempo. (*) MIPs: Milhões de Instruções por Segundo. Fronteira entre essas categorias de computadores é dinâmica e muda rapidamente. O mainframe de hoje é o microcomputador de amanhã. Supercomputadores: maximizam o número de FLOPs (Operações em Ponto- Flutuante por segundo). 26
A Quinta Geração - Computadores de Baixa Potência e Invisíveis 1989: primeiro tablet 1993: PDA (Personal Digital Assistants) 1990 s: Smartphone Quinta Geração: mudança de paradigma, não de arquitetura! Computação Ubíqua, Computação Pervasiva Tipo Preço (US$) Exemplo de aplicação Computador descartável 0,5 Cartões de natal/aniversário Microcontrolador 5 Relógios, carros, eletrodomésticos Computador móvel e de jogos 50 Videogames domésticos e smartphones Computador pessoal 500 Computador (desktop ou notebook) Servidor 5K Servidor de rede Mainframe 5M Processamento de dados em bloco em um banco 27
Lei de Moore para Número de Transistores em um Circuito Integrado (Chip): 28
Lei de Moore para chips de CPU (Intel): 29
A Família Intel 1971-4004 Primeiro microprocessador (CPU em uma única pastilha). O objetivo era servir de base para a construção de calculadoras. 4 bits, 45 instruções, 4 Kbytes de endereçamento. 1972-8008 Processador de 8 bits construído para controlar terminais. 8 bits, 48 instruções, 16 Kbytes de endereçamento. 1973-8080 Características: 64 Kbytes de endereçamento, clock 10 vezes mais rápido que o do 8008, compatível com a família TTL. 1976-8085 Nova versão do 8080, mais rápida. Incorpora gerador de clock e sinais de controle de sistema internamente a pastilha. 30
1978-8086 Características: 16 bits, 1 Mbytes de endereçamento. Utilizado para a construção de microcomputadores. Deu origem a família 80x86. 1979-8088 Versão simplificada do 8086, com via de dados de 8 bits. Permitiu a construção de microcomputadores mais baratos Escolhido pela IBM como o microprocessador do IBM PC original. 1982-80186 Versão do 8086 que incorpora o gerador de clock, controlador de interrupção, temporizador e unidade de acesso direto a memória. Foi pouco usado. 1982-80188 Versão simplificada do 80186, com via de dados de 8 bits. 31
1983-80286 Versão do 8086 com 16 Mbytes de endereçamento. 1 Gbytes de espaço de endereçamento de memória virtual. Unidade de gerenciamento de memória. CPU do microcomputador PC-AT e de algumas versões do PS/2. 1985-80386 Versão do 8086 de 32 bits. Suporte a multitarefa. 4 Gbytes de endereçamento. 64 Tbytes de espaço de endereçamento de memória virtual. 80386DX: via de dados externa de 32 bits. 80386SX: via de dados externa de 16 bits. Permitiu a migração do hardware do 80286 de forma mais direta. 32
1989-80486 Versão melhorada do 80386. 8 Kbytes de memória cache interna. Características de máquinas RISC. 80486DX: versão com o co-processador numérico 80387. 80486SX: versão sem o co-processador numérico. 1992 - Pentium Versão melhorada do 80486, com via de dados externa de 64 bits, trabalhando internamente com 2 processadores. Cache interno de 16 Kbytes (8 para dados e 8 para instruções). 1995 - Pentium Pro Versão do Pentium com cache de nível 2 embutido na pastilha do microprocessador. 33
Principais membros da família de CPUs da Intel (clock em MHz): 34
A Família Motorola 1974-6800 Primeiro microprocessador da Motorola de 8 bits. 1978-6809 Evolução do 6800 com registradores adicionais, novas instruções de manipulação de dados de 16 bits e mais modos de endereçamento. 1975-6502 Microprocessador popular da Motorola, utilizado nas máquinas Apple, compatível com o 6800. 1979-68000 Microprocessador de 16/32 bits, possuindo vias de dados internas de 32 bits e externas de 16 bits, e registradores de 32 bits. Nem todas as instruções trabalham com 32 bits. Não é compatível com os anteriores (projeto novo). Utilizado nos microcomputadores Macintosh. Deu origem a família 680x0. 35
1980-68008 Versão do 68000 com via de dados externa de 8 bits e vias de endereços de 20 bits (1 Mbytes de endereçamento), que não foi muito utilizado. 1983-60010 Evolução do 68000 com controle de memória virtual. 16 Mbytes de endereçamento. 1983-60012 Versão do 60010 com 2 Gbytes de endereçamento. 1984-68020 Microprocessador de 32 bits, com memória cache interna de 256 bytes. Todas as instruções trabalham com 32 bits. Utilizado pelas estações de trabalho Sun, Apollo e HP. 1987-68030 Versão melhorada do 68020 e com uma unidade de gerenciamento de memória dentro da pastilha. Equivalente ao 80386. 36
1990-68040 Versão com co-processador numérico 68881. Memória cache interna de 4 Kbytes, para dados e instruções, independentes. Equivalente ao 80486. 1994-68060 Apresenta um projeto super-escalar, com múltiplas unidades de execução. 37
A Família Zilog A Zilog foi fundada em 1974, como uma dissidência da Intel, e projetou o famoso microprocessador Z80. 1974 - Z80 Processador de 40 pinos, sendo uma versão melhorada do 8080, de 8 bits. 1979 - Z8000 Microprocessador de 16 bits capaz de endereçar até 8 Mbytes de memória. Possui memória cache para dados e instruções de 256 bytes e unidade de gerenciamento de memória. 38
A Arquitetura ARM Surgiu nas décadas de 1980 e 1990. Exemplo de aplicação: tablet Samsung Galaxy Tab. Sucesso nos mercados de dispositivos de baixa potência, móveis e embutidos. Até 2011, vendeu cerca de 15 bilhões de dispositivos. 39
1. INTRODUÇÃO ANOTAÇÕES 40