Arquitetura de computadores Módulo 4

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Arquitetura de computadores Módulo 4, Curso Profissional Técnico de Gestão e Programação de Sistemas informáticos.

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Arquitetura de computadores Módulo 4

  1. 1. Arquitetura de Computadores Módulo 4 – Arquitetura de Microprocessadores (24 Horas) 2014-15 Curso Profissional de Técnico de Gestão e Programação de Sistemas Informáticos Prof. Luis Folgado Ferreira http://lanapt.com
  2. 2. Índice • Apresentação. • 1. Principais componentes de um microprocessador. • 2. Evolução das arquiteturas de microprocessadores. • 3. Arquitetura de um sistema tipo. • 4. Tipos de dados. • 5. Organização de memória. • 6. Tipos de endereçamento. • 7. Ligação com o exterior.
  3. 3. Microprocessador Conceito • O microprocessador, popularmente chamado de processador é um circuito integrado que realiza as funções de cálculo e as decisão de um computador. • Todos os computadores e equipamentos eletrónicos baseiam-se nele para executar suas funções.
  4. 4. Microprocessadores Exemplo da Arquitetura interna de um microprocessador dedicado para processamento de imagens de ressonância magnética. A fotografia foi aumentada 600 vezes, sob luz ultravioleta para se conseguir ver os detalhes.
  5. 5. Microprocessadores Arquitetura Vista inferior de um AMD Athlon XP 1800+ núcleo Palomino, um microprocessador moderno.
  6. 6. Microprocessadores Arquitetura Vista de um Intel Core i7 de 4ª geração.
  7. 7. Microprocessadores Arquitetura • O microprocessador moderno é um circuito integrado formado por uma camada de silício, trabalhada de modo a formar um cristal de extrema pureza, laminada até uma espessura mínima com grande precisão, depois cuidadosamente mascarada por um processo fotográfico e exposta a altas temperaturas em fornos que contêm misturas gasosas de impurezas. • Este processo é repetido tantas vezes quanto necessário à formação da microarquitectura do componente.
  8. 8. Microprocessadores Vídeo http://youtu.be/d9SWNLZvA 8g Arquitetura 22mm
  9. 9. Fotomicrografia de um chip equivalente ao Pentium IV aumentada 2400 vezes
  10. 10. Microprocessadores • Responsável pela execução das instruções num sistema, o microprocessador, escolhido entre os disponíveis no mercado, determina, em certa medida a capacidade de processamento do computador e também o conjunto primário de instruções que ele compreende. • Mas o desempenho global depende de outros fatores também. • O sistema operativo é construído sobre este conjunto.
  11. 11. O CPU
  12. 12. As unidades de um microprocessador • A ALU(Aritmetic and Logical Unit), unidade responsável pelos cálculos aritméticos e lógicos; • Os registos são parte integrante do microprocessador na família x86, por exemplo.(memória central); • Unidade de Controlo - UC
  13. 13. Estrutura básica de um microprocessador
  14. 14. Vídeos e referências • https://www.youtube.com/watch?v=cNN_tTX ABUA
  15. 15. Evolução das arquiteturas de microprocessadores
  16. 16. Microprocessadores Pré-x86 4004 • 4040 • 8008 • 8080 • 8085
  17. 17. Microprocessadores • Embora seja a essência do computador, o microprocessador diferente do micro controlador, está longe de ser um computador completo. Para que possa interagir com o utilizador precisa de: memória, dispositivos de entrada e saída, um clock, controladores e conversores de sinais entre outros. • Cada um desses circuitos de apoio interage de modo peculiar com os programas e, dessa forma, ajuda a moldar o funcionamento do computador.
  18. 18. História • O primeiro microprocessador comercial foi inventado pela Intel em 1971 para atender a um fabricante de calculadoras japonês que precisava de um circuito integrado especial. • A Intel projetou o i4004 que era um circuito integrado programável que trabalhava com registos de 4 bits, 46 instruções, clock de 740Khz e possuía cerca de 2300 transístores.
  19. 19. • O processador Intel 4004 é uma Unidade Central de Processamento com 4-bits. Fabricado pela Intel Corporation em 1971, foi o primeiro microprocessador em um chip simples, assim como o primeiro disponível comercialmente. • Embora projetado originalmente para ser um componente de calculadoras, o 4004 logo encontrou muitos usos. A Intel iniciou um processo que logo fez alguns outros fabricantes de chips a embarcar em projetos para desenvolverem firmemente os microprocessadores mais capazes, o que gerou a tendência que criou as indústrias multimilionárias dos microprocessadores e dos microcomputadores catuais.
  20. 20. História • Percebendo a utilidade desse invento a Intel prosseguiu com o desenvolvimento de novos microprocessadores: 8008 (o primeiro de 8 bits) e a seguir o 8080 e o microprocessador 8085. • O 8080 foi um grande sucesso e tornou-se a base para os primeiros microcomputadores pessoais na década de 1970 graças ao sistema operacional CP/M.
  21. 21. CP/M
  22. 22. História • Da Intel saíram alguns funcionários que fundaram a Zilog, que viria a lançar o microprocessador Z80, com instruções compatíveis com o 8080 (embora muito mais poderoso que este) e também de grande sucesso. A Motorola possuía o 68000 e a MOS Technology o 6502. • Todos esses microprocessadores de 8 bits foram usados em muitos computadores pessoais (Bob Sinclair, Apple, TRS, Commodore, etc.).
  23. 23. História • Em 1981 a IBM (International Business Machines) decidiu lançar-se no mercado de computadores pessoais. O seu IBM-PC utilizou um dos primeiros microprocessadores de 16 bits, o 8088 (derivado do seu irmão 8086 lançado em 1978) que viria a ser o avô dos computadores catuais. • A Intel foi lançando melhoramentos na sua linha 80X86: 8086, 8088, 80186, 80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium M, Pentium D e Pentium Dual Core.
  24. 24. História • Como grande concorrente da Intel, a AMD (Advanced Micro Devices) aparece inicialmente como fabricante de microprocessadores da linha x86 alternativa mas a partir de um certo momento deixou de correr atrás da Intel e partiu para o desenvolvimento de sua própria linha de microprocessadores: K6, Athlon, Duron, Turion, Sempron, etc. • Paralelamente à disputa entre Intel e AMD, a IBM possuía a linha PowerPC utilizada principalmente pelos microcomputadores da Apple
  25. 25. História • A evolução tecnológica envolvida é surpreendentemente grande, de microprocessadores que trabalhavam com clock de dezenas de kHz e que podiam processar alguns milhares de instruções por segundo, atingiu-se clocks na casa dos 4GHz e poder de processamento de dezenas de bilhões de instruções por segundo. • A complexidade também cresceu: de alguns milhares de transístores para centenas de milhões de transístores numa mesma pastilha.
  26. 26. Ficha de Trabalho 1 • Realiza uma apresentação em PowerPoint que represente a evolução dos microprocessadores ao longo da sua história.
  27. 27. Balanço da Matéria • Apresentação. • 1. Principais componentes de um microprocessador. • 2. Evolução das arquiteturas de microprocessadores. • 3. Arquitetura de um sistema tipo. • 4. Tipos de dados. • 5. Organização de memória. • 6. Tipos de endereçamento. • 7. Ligação com o exterior.
  28. 28. Microprocessadores • O processador é composto por alguns componentes, cada um tendo uma função específica no processamento dos programas: – Unidade Lógica e Aritmética(ULA); – Unidade de Controle(UC); – Registos; – Memory Management Unit; – Unidade de ponto flutuante.
  29. 29. Microprocessadores • A Unidade Aritmética e Lógica (UAL) é a responsável por executar efetivamente as instruções dos programas, como instruções lógicas e matemáticas. • Unidade de controle (UC) é responsável pela tarefa de controlo das ações a serem realizadas pelo computador, comandando todos os outros componentes.
  30. 30. Microprocessadores • Os registos são pequenas memórias velozes que armazenam comandos ou valores que são utilizados no controle e processamento de cada instrução. • Os registos mais importantes são: – Contador de Programa (PC) – Sinaliza para a próxima instrução a ser executada; – Registo de Instrução (IR) – Regista a execução da instrução;
  31. 31. Microprocessadores • Unidade de ponto flutuante nos processadores atuais são implementadas unidades de cálculo de números reais. • Tais unidades são mais complexas que UALs e trabalham com operandos maiores, com tamanhos típicos variando entre 64 e 128 bits.
  32. 32. Arquiteturas • Existem duas principais arquiteturas usadas em processadores: 1. A arquitetura de Von Newmann; 2. A arquitetura de Harvard.
  33. 33. Arquitetura de Von Newmann • Esta arquitetura caracteriza-se por apresentar um barramento externo compartilhado entre dados e endereços. Embora apresente baixo custo, esta arquitetura apresenta desempenho limitado pelo gargalo do barramento.
  34. 34. Arquitetura de Von Newmann
  35. 35. Arquitetura de Harvard • A Arquitetura de Harvard baseia-se em um conceito mais recente que a de Von- Neumann, tendo vindo da necessidade de por o microcontrolador para trabalhar mais rápido.
  36. 36. Arquitetura de Harvard • É uma arquitetura de computador que se distingue das outras por possuir duas memórias diferentes e independentes em termos de barramento e ligação ao processador. • Utilizada nos microcontroladores PIC (Peripheral Interface Controller), tem como principal característica aceder à memória de dados separadamente da memória de programa.
  37. 37. Arquitetura de Harvard A principal vantagem dessa arquitetura é que a leitura de instruções e de alguns tipos de operandos pode ser feita ao mesmo tempo em que a execução das instruções. Isso significa que o sistema fica todo o tempo executando instruções, o que acarreta um significativo ganho de velocidade.
  38. 38. Tipos de Microprocessadores • Microprocessadores PC— São utilizados nos computadores pessoais, onde são chamadas de Unidade Central de Processamento (CPU), workstations e mainframes. Podem ser programados para executar as mais variadas tarefas.
  39. 39. Tipos de Microprocessadores Um micro controlador, um exemplo de microprocessador.
  40. 40. Tipos de Microprocessadores • Processadores Digitais de Sinal (DSP do inglês Digital Signal Processor) — especializados em processamento digital de sinal usados para processar sinais de áudio, vídeo, etc., quer em tempo real quer em off-line. Estão presentes, por exemplo, em aparelhos de CD, DVD e televisores digitais. Em geral, realizam sempre uma mesma tarefas simples.
  41. 41. Tipos de Microprocessadores • Micro controladores — Processadores relativamente flexíveis, de relativo baixo custo, que podem ser utilizados em projetos de pequeno tamanho. • Podem trazer facilidades como conversores A/D embutidos, ou um conjunto de instruções próprias para comunicação digital através de algum protocolo específico.
  42. 42. Tipos de Microprocessadores • GPU — ou Unidade de Processamento Gráfico), é um microprocessador especializado em processar gráficos. São utilizadas em placas de vídeo para fazer computação gráfica.
  43. 43. Tipos de Microprocessadores GPU
  44. 44. • Módulo 4 - Arquitectura de Microprocessadores • A ligação dos microprocessadores com o exterior.
  45. 45. Ligação com o exterior • Um processador também precisa ser capaz de comunicar-se com o mundo exterior. • Neste mundo exterior está o utilizador que trabalha no PC.
  46. 46. Ligação com exterior • É preciso ler dados provenientes do teclado, mouse e outros dispositivos de entrada, bem como transferir dados para o vídeo, impressora e outros dispositivos de saída. • Essas operações são chamadas de “entrada e saída”, ou E/S (em inglês, Input/Output, ou I/O).
  47. 47. Ligação com o exterior • Portanto, além de processar dados, um processador deve ser capaz de realizar operações de entrada e saída, bem como realizar leituras e gravações na memória.
  48. 48. Ligação com o Exterior • A ligação entre o microprocessador por um lado e a memória e os circuitos periféricos por outro é efectuada através de três conjuntos distintos de ligações eléctricas, denominados "bus" e que são: • O bus de dados, que permite a transferência de dados entre o microprocessador e quer a memória quer os periféricos;
  49. 49. O bus de endereço • O bus de endereço que permite ao microprocessador seleccionar a posição de memória sobre a qual quer efectuar uma operação de escrita ou leitura;
  50. 50. O bus de comando • O bus de comando que permite ao microprocessador escolher entre a memória e os periféricos para operações de escrita ou leitura assim como o tipo de operação a realizar. • O bus de comando permite ainda aos periféricos interromperem a actividade normal do microprocessador de modo a que este execute as operações necessárias à satisfação do periférico que emitiu o sinal de interrupção.
  51. 51. O bus de Dados • Nos microprocessadores mais simples o bus de dados é constituído por quatro ou oito linhas distintas dizendo-se por isso que é um microprocessador de quatro ou oito bits, isto porque cada linha pode transportar um sinal eléctrico que só pode ter um de dois valores de tensão distintos a que correspondem os valores numéricos em numeração binária 0 e 1.
  52. 52. O relógio • O microprocessador necessita também de um sinal periódico chamado sinal de relógio, gerado externamente, que irá definir a cadência de execução do programa pelo microprocessador.
  53. 53. O relógio • A frequência desse sinal periódico tem de estar ajustada às especificações do microprocessador e encontram-se valores entre alguns Megahertz para os microprocessadores mais simples até alguns Gigahertz para os microprocessadores mais modernos.
  54. 54. Referências • http://www.laercio.com.br/artigos/hardware/ hard-009/hard-009.htm

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