Microprocessadores ii arquitetura

Microprocessadores IIMicroprocessadores II
Professor: Mauro Jansen
Histórico, conceitos,
características e Arquitetura
05/05/2015

Conteúdo programático
Histórico de microprocessadores
Conceitos básicos
Caracterização
Arquitetura
Prof. Mauro
Microprocessadores II
Arquitetura 2
Arquitetura
Pinagem e soquetes

Prof. Mauro
Arquitetura 3

Início: “computadores” mecânicos
Século 13 AC: invenção do Ábaco pelos
babilônios
•Primeiro instrumento a permitir executar
todas as operações aritméticas
•Foi muito usado para cálculos no
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Arquitetura 4
•Foi muito usado para cálculos no
séculoXVII e ainda é usado até hoje.
•SOROBAN:
•O Soroban é uma versão do ábacus
Chinês, com uma quantidade menor de
contas.

Octograma Chinês Yin Yang:
Criado pelo imperador chinês Fou-Hi, é a
primeira representação conhecida de
números binários de 0 a 7.
1642: Máquina de calcular de Blaise
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Arquitetura 5
1642: Máquina de calcular de Blaise
Pascal (cientista francês)
Rodas e engrenagens
Operações: adição e subtração
Algarismos de 0 a 9 – cada roda
representava uma coluna decimal
Primeira máquina de calcular a ser
comercializada

1801: Máquina de tear / Cartão
perfurado
Joseph Marie Jacquard (tecelão francês)
Memorizava desenhos em cartões
perfurados e os reproduzia
Operações: adição e subtração
Primeiro registro de programação
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Arquitetura 6
Primeiro registro de programação
semelhante à do computador moderno
1833: Máquina analítica
Charles Babbage (inglês) – pai do
computador moderno
Primeiro projeto de um computador de
propósito geral (não construído)
Adição, mutiplicação, instruções
condicionais e de desvio

Computadores eletromecânicos
1936: Z1 – baseado em relé (Konrad Zuse -
alemão)
Z3: 1º computador de propósito geral controlado por
programa
Z4: usado em projeto de mísseis
1943: Colosso (Alan Turing). 2000 válvulas e
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Arquitetura 7
1943: Colosso (Alan Turing). 2000 válvulas e
máquina de leitura de fita perfurada.
Decodificação de mensagens dos Alemãos
1944: Mark I – (Howard Aiken) (EUA)
Válvulas, fios e interruptores
Usado pela marinha americana em cálculo de balística

Curiosidades
Primeira programadora da história: Augusta Ada
Byron (condessa de Lovelace), filha do poeta
Lorde Byron
Formada em matemática, trabalhou com Charles
Babbage
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Arquitetura 8
Babbage
1979: Linguagem ADA criada em sua homenagem
Bug (besouro): sinônimo de tudo que prejudique
o bom funcionamento de um programa
Em 1945 um besouro ficou preso nas engrenagens do
Mark I, fazendo a máquina parar

Computadores a válvula
1946: Eniac
18.000 válvulas, 30 tonelada
Projeto da bomba “H”
1950: UNIVAC (Universal Automatic Computer)
1º computador de aplicações científicas e comerciais
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Arquitetura 9
1º computador de aplicações científicas e comerciais
UNIVAC II e UNIVAC 1100 series
1953: IBM 701
Aplicações científicas

Depois da válvula
1960: computadores transistorizados (apesar do
transistor ter sido inventado desde 1947)
IBM 7090, 7094. Linguagens Fortran, Cobol, Basic
1958: circuito integrado (Jack Kilby, Texas
Instruments)
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Arquitetura 10
Instruments)
Resistores e capacitores num mesmo pedaço de
material semicondutor
1964: IBM 360 – 1ª família de computadores
planejada
DEC PDP 8: minicomputador, estrutura de barramento

Microprocessadores
1971: 4004 (Intel)
1º microprocessador criado; 4 bits; BCD
Aplicação voltada para calculadoras
45 instruções; 605B; 108KHz; 2.300 transistores
1972: 8008 (Intel)
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Arquitetura 11
1972: 8008 (Intel)
1º microprocessador de 8 bits
Aplicação voltada para terminais; ASCII
48 instruções; 16KB; 200KHz; 3.500 transistores
1974: 8080 (Intel)
8 bits; propósito geral
72 instruções; 64KB; 2MHz; 6.000 transistores

Microprocessadores
1975-1977
Z80 (Zilog)
6502 (MOS Technology)
Computador Apple 1 (Steve Wozniac e Steve Jobs)
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Criação da Microsoft
Micro CP300 (Z80) Micro Apple II (6502)
(1977) US$ 1.195
Micro Apple I (6502)

Microprocessadores
1976: 8085 (Intel)
8 bits; propósito geral
74 instruções; 5MHz; 6.500 transistores
1978: 8086 (Intel)
16 bits (interno e externo); 5, 8 e 10MHz; 29.000 transistores
1979: 8088 (Intel)
16 bits (interno; 8 bits externo); usado no 1º PC (PC/XT)
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Arquitetura 13
16 bits (interno; 8 bits externo); usado no 1º PC (PC/XT)
133 instr.; 29.000 transistores
1980: co-processador matemático 8087
Microcontrolador 8051 (Intel)
1982: 80186/188; 80286; PC/AT
1985: 80386. 32 bits; 16,20,25 e 33MHz; 275.000
transistores

Tabela resumo da evolução
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Arquitetura 14

Tabela resumo da evolução
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Arquitetura 15

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Arquitetura 16

Memória
Local de armazenamento de informações
binárias
Podem ser circuitos semicondutores,
mídias magnéticas, óticas, etc.
Cada posição de memória é identificada
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Cada posição de memória é identificada
por um ENDEREÇO
Endereçamento é o ato de acessar um
dado em uma posição de memória (para
isso precisamos especificar o endereço)

Memória
Endereço Conteúdo
0000h 00
0001h EB
Exemplo de bloco de memória com 64K posições (64KB)
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Arquitetura 18
0001h EB
0002h 29
...
FFFFh 00
O conteúdo de cada
posição de memória
pode ser um dado
(numérico ou
caractere) ou uma
instrução

Palavra (word)
Unidade de informação natural usada por um
computador particular
Grupo de N bits de tamanho fixo que é
processado em conjunto pela CPU
A quantidade de bits da palavra depende da
arquitetura do computador
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Arquitetura 19
arquitetura do computador
O barramentos de dados normalmente é do tamanho
de uma palavra ou meia palavra
Um endereço de memória normalmente referencia
uma palavra
Exemplos: palavra de 8 bits, 16 bits, 64 bits, 128
bits

Registradores
Memórias internas do microprocessador
que registram apenas uma informação
binária por vez
Podem ser de 8 bits (1 byte), 16 bits (2 bytes),
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Arquitetura 20
Podem ser de 8 bits (1 byte), 16 bits (2 bytes),
32 bits (4 bytes), 64 bits (8 bytes) ou 128 bits
(16 bytes)
São memórias voláteis (perdem o conteúdo
quando desenergizadas)
Exemplos: acumulador, registrador X, Y, etc.

Barramentos
São linhas ou canais de comunicação de dados
entre os dispositivos (microprocessador, chipsets,
memória e outros periféricos)
Também chamados de “bus”
Em comparação com o transporte terrestre
seriam as ruas, estradas e rodovias que
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seriam as ruas, estradas e rodovias que
interligam as localidades
Os barramentos têm algumas características
importantes para sabermos sua performance e
compatibilidade com dispositivos:
Tamanho ou largura (medida em bits)
Velocidade (medida em Hz - MHz)

Barramentos
Barramentos do sistema
Barramentos do processador (de dados, endereços e
controle)
Barramento de memória
Barramento de cache
Barramento frontal (FSB) – liga CPU à ponte norte
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Arquitetura 22
Barramento frontal (FSB) – liga CPU à ponte norte
Barramentos de E/S (entrada / saída)
Estão associados a alguma INTERFACE ou PORTA
(interna ou externa) que permite ligar uma unidade de
entrada e/ou saída
Cada porta está vinculada a um endereço ou faixa
única de endereços

Pilha
É uma área de memória usada para guardar
dados temporariamente, normalmente oriundos
de registradores, sem nos preocuparmos com
endereços de memória
De forma similar a uma pilha de livros, o último
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Arquitetura 23
De forma similar a uma pilha de livros, o último
dado a ser colocado na pilha será o primeiro a
sair
103 Dado 4
102 Dado 3
101 Dado 2
100 Dado 1
Endereços da
pilha

Interrupções
São eventos que fazem o processador
parar a execução do programa corrente e
desviar a execução para um bloco de
código chamado rotina de interrupção
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Arquitetura 24
Podem ser ocasionadas por:
Pedido interno (interrupções de software)
Pedido externo (interrupções de hardware)

Instruções
Instrução é um comando a ser executado
pelo microprocessador
Cada microprocessador tem um conjunto
de instruções (comandos da linguagem de
máquina) particular
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Arquitetura 25
máquina) particular
As instruções normalmente são
Mnemônicos (siglas que lembram uma
ação, em inglês)
Ex: LDA (LoaD Acumulator), MOV (MOVe),
ADC (Add with Carry), etc.

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Microprocessador x Microcontrolador
Microprocessador
É a CPU de um computador ou dispositivo microprocessado,
construída num único circuito integrado
Contém Unidade de Controle, Unidade Lógica e Aritmética e
registradores
Precisa de periféricos externos tais como memória e unidades de
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Precisa de periféricos externos tais como memória e unidades de
entrada e saída para compor um sistema funcional mínimo

Microprocessador x Microcontrolador
Microcontrolador
Computador completo construído num único Circuito Integrado.
Custo mais baixo; menor desempenho; voltado para aplicações
específicas (dimensões reduzidas, baixo custo e consumo)
Contém portas seriais, portas de entrada e saída, paralelas,
timers, controles de interrupção, memória RAM e ROM
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timers, controles de interrupção, memória RAM e ROM

Funções do microprocessador
Busca e execução de instruções existentes
na memória
Leitura (de instruções e dados) da
memória
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memória
Gravação de dados na memória
Comunicação com o mundo exterior
(entrada e saída – E/S)

Número de bits
Número de bits internos:
É definido pela quantidade máxima de bits dos
registradores internos do microprocessador
Daí vem a terminologia microprocessador de 8,
16, 32, 64 bits
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Arquitetura 30
16, 32, 64 bits
Número de bits externos:
É definido pela largura do barramento de
dados
Geralmente é igual ao número de bits internos,
mas nem sempre isso ocorre

Capacidade de endereçamento
É tamanho máximo tamanho que pode ter
a memória, ou, seja, o número máximo de
células de memória que um
microprocessador consegue acessar
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Depende do tamanho do barramento de
endereços
Capacidade = 2N
(N: número de bits no barramento de
endereços)

Clock
Define a frequência de operação do
microprocessador
Medida em Hz (Hertz)
Está relacionado com o número de
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Está relacionado com o número de
instruções que podem ser executadas a
cada segundo
Cada instrução é executada em N ciclos do
clock

Memória cache
Pequena quantidade de memória usada
para acelerar a leitura de dados da
memória RAM
Memória de alta velocidade e alto custo
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Memória de alta velocidade e alto custo
Tipos:
Cache interno ou L1 (nível 1) ou primário
Cache externo ou L2 (nível 2) ou secundário

Memória cache
Um circuito especial (controlador de cache)
efetua a leitura da memória RAM e coloca-
os na memória cache
O microprocessador obtém os dados
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Arquitetura 34
O microprocessador obtém os dados
diretamente do cache e, enquanto isso, o
controlador de cache já está lendo outros
dados da RAM

Índice de desempenho
O desempenho (velocidade de processamento) de um
microprocessador depende de:
Velocidade do clock
Número interno de bits
Número externo de bits
Número de ciclos necessários para executar cada instrução
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Número de ciclos necessários para executar cada instrução
Capacidade e velocidade da memória cache
Execução de instruções em paralelo
Unidades de medida:
MIPS: Milhões de instruções por segundo
FLOPS: Instruções em ponto flutuante por segundo

Conjunto de instruções de máquina
É o conjunto de valores binários que foram
codificados para representar todas as operações
que a CPU executa
Cada instrução ocupa um ou mais bytes e tem
duas partes principais:
Código da operação: identifica a operação a ser
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Código da operação: identifica a operação a ser
realizada
Operandos ou endereços: contém valores ou
endereços dos dados que serão usados nas operações
São comandos simples como operações lógicas e
aritméticas, de leitura, gravação comparação e
movimentação de dados

Exemplos de aplicações
Os microprocessadores e microcontroladores
podem ser aplicados em:
Microcomputadores
Calculadoras
Relógios digitais
Controle de fornos microondas
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Arquitetura 37
Controle de fornos microondas
Lavadora de roupas
Vídeo game e outros brinquedos
Controle de motores
Controle de tráfego
Alarmes e sistemas de segurança
Telefone celular

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Arquitetura 38

Diagrama de um sistema microprocessado
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Arquitetura 39

Registradores
Arquitetura interna
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Arquitetura 40

Arquitetura interna - elementos
Unidade Aritmético-Lógica (ULA)
Contador de Instruções (CI) ou Program Counter
(PC)
Registradores de uso geral
De dados: Acumulador (AC) e outros registradores de
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De dados: Acumulador (AC) e outros registradores de
dados (A,B,etc)
De índices (X,Y,etc.)
Ponteiro de Pilha ou Stack Pointer (SP)
Registrador de status (Status Flags), ou
sinalizadores
Decodificador de instruções

Elementos internos
Unidade Lógica e Aritmética (ULA): executa
as operações aritméticas e lógicas, em conjunto
com o AC e outros registros
A multiplicação ou divisão geralmente é efetuada por
circuitos (hardware) ou rotinas (software) adicionais
Contador de instrução (CI) ou Program
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Arquitetura 42
Contador de instrução (CI) ou Program
Counter (PC): registrador que contém o
endereço de memória da próxima instrução de
máquina que será executada
Não deve ser alterado pelo usuário; a própria CPU
muda o endereço automaticamente após executar
cada instrução

Elementos internos
Acumulador (AC): principal registrador de
dados; é muito usado para receber dados da
memória que serão tratados por instruções de
adição, subtração, deslocamento, movimentação
Registradores de dados: Registradores que
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Arquitetura 43
Registradores de dados: Registradores que
servem para auxiliar a manipulação de dados
pelo acumulador ou como contadores. Em geral
não são usados em operações lógicas ou
aritméticas
Exemplos: X, Y, A, B

Elementos internos
Registradores de índices: são usados
na formação do endereço de memória final
(endereçamento indexado), contendo parte
do endereço (índice). Também são usados
em operações de movimentação ou
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Arquitetura 44
em operações de movimentação ou
contagem

Elementos internos
Ponteiro de pilha ou Stack Pointer
(SP): registrador que aponta para o dado
atual na pilha
Decodificador: parte do
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Arquitetura 45
Decodificador: parte do
microprocessador que recebe os bits de
código de operação da instrução, identifica
a instrução a ser executada e aciona a
execução dessa instrução

Elementos internos
Registrador de status (Status flags): registrador
onde cada um dos seus bits (chamados de FLAGS) indica
o estado ou condição de um fenômeno ocorrido na última
instrução executada. Os mais comuns são:
Carry (C): indica se ocorreu ou não um “vai um”
Overflow (O): indica se ocorreu ou não o transbordo na última
operação
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Arquitetura 46
operação
Zero (Z): indica se o valor obtido é zero
Parity (P) ou Paridade: indica se o valor obtido é par (Even)
ou ímpar (Odd)
Decimal (D): indica se o modo decimal (em que as operações
são executadas em BCD) está ativo
Signal (S) ou Negative (N): indica se o resultado obtido é
negativo (bit 7 = 1) ou positivo (bit 7 = 0)

Arquitetura interna (visão prática)
Registradores
De dados AC/A,B,C,etc
De índice X,Y,etc
Registro de Status
SP 0100
Memória RAM
Endereço Conteúdo
0000h 00
0001h EB
0002h 29
...
0100h 00
Microprocessador
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Arquitetura 47
PC 0300
Registro de Status
C O Z P S . . .
0100h 00
0101h 00
...
0300h
0301h
...
Área da pilha
Área do
programa

Arquitetura externa
Memória
Pilha
Cache externo
Barramentos
De dados
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Arquitetura 48
De dados
De endereços
De controle
Clock
Dispositivos de entrada e saída (E/S)

Memória
A memória é usada para armazenar DADOS e
PROGRAMAS
Alguns endereços de memória podem dar acesso
a dispositivos de E/S (ex: vídeo, impressora, etc)
A memória pode ser dividida em páginas ou
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Arquitetura 49
A memória pode ser dividida em páginas ou
segmentos
Pilha ou stack: porção variável da memória
cujo endereço está acessível através do registro
Ponteiro de pilha ou Stack Pointer (SP). Usada
para guardar valores temporariamente

Barramentos
(Unidirecional)
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Arquitetura 50
R=Read W=Write
M=Memória
IO=Entrada/Saída
(Bidirecional)
Barramento de controle

Barramentos
Barramento de dados: barramento através do
qual trafegam os dados que são enviados ou
recebidos pelo microprocessador
É bidirecional
Cada bit equivale a um pino do microprocessador
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Arquitetura 51
Cada bit equivale a um pino do microprocessador
A quantidade de pinos define a quantidade de bits
externa do microprocessador (8, 16, 32, 64,...) ou
quantos bits podem ser transferidos de uma só vez

Barramentos
Barramento de endereços: serve para o
microprocessador especificar qual a posição de
memória a ser acessada ou qual dispositivo de
E/S a ser ativado
O tamanho do barramento define a quantidade
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Arquitetura 52
O tamanho do barramento define a quantidade
máxima de memória endereçável diretamente:
Qtd.bits no
Barram.endereços
Capacidade de
endereçamento
8 256 bytes
16 64 KB
24 16 MB
32 4 GB

Barramentos
Barramento de controle: usado para controlar o
acesso e a utilização das linhas de dados e de endereços,
visto que elas são compartilhadas por todos os
componentes.
Exemplos de sinais de controle:
Escrita/leitura na memória (RW): habilita a leitura ou escrita na
memória
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memória
Requisição de porta E/S (IO)
Confirmação de transferência (ACK)
Requisição / concessão de barramento
Requisição de interrupção (INT)
Confirmação de interrupção (INT ACK)
Relógio (CLOCK): utilizado p/ temporização de operações
Inicialização (RESET): inicializa todos os módulos do sistema

Clock
Gerador de pulsos que sincroniza a
execução de operações do
microprocessador
Unidade: Hz (MHz, GHz)
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Arquitetura 54
Unidade: Hz (MHz, GHz)
Ex.: Os microprocessadores 8086/8088
operavam com clock de 5 a 10 MHz
5 MHz = 5 milhões de pulsos por segundo e
não 5 milhões de instruções por segundo

Clock
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Arquitetura 55
Cristal e CI gerador de frequência
numa placa mãe

Execução de instruções
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Arquitetura 56

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Arquitetura 57

Considerações iniciais
Na maioria dos microprocessadores, os pinos de
dados são multiplexados com os de endereços
Eles nunca são necessários simultaneamente
Quantidade de pinos afeta o grau de dificuldade de
encapsulamento (e o custo)
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Arquitetura 58
encapsulamento (e o custo)
Apesar de existir pinos com mais de uma função,
a quantidade de pinos ainda é grande
Com o passar do tempo foram criados vários tipos de
encapsulamento
A maior parte dos pinos são pinos de endereço

Fabricação e mercado
O encapsulamento é encontrado em dois
materiais:
Plástico
Cerâmica
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Arquitetura 59
Cerâmica
A pinagem é de metal. Em alguns modelos
os pinos eram banhados a outro
No mercado, a pinagem é relacionada ao
socket (soquete)
A placa mãe e CPU devem ter mesmo socket

Encapsulamento DIP
DIP: Dual In-line Package (Duas linhas de
pinos laterais)
Ex.: Intel 8088
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Arquitetura 60

Encapsulamento PLCC
PLCC: Plastic Leaded Chip Carrier
Encapsulamento plástico com terminais dos
quatro lados do chip, normalmente dobrados p/
baixo, para uso em soquete
Mais comum em ROM BIOS e microcontroladores
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Arquitetura 61
Mais comum em ROM BIOS e microcontroladores

Encapsulamento QFP ou SMD
QFD: Quad Flat Package (encapsulamento
quadrado)
Similar ao PLCC, só que para soldagem
SMD (Surface Mountage Devices)
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Arquitetura 62
SMD (Surface Mountage Devices)

Encapsulamentos PGA e BGA
PGA: Pin Grid Array (matriz de pinos)
BGA: Ball Grid Array (matriz de bolas)
Pinos (ou bolas) saem por baixo do chip
Numeração de pinos por linhas e colunas
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Numeração de pinos por linhas e colunas

Soquetes
Padrões de conexão do microprocessador à
placa-mãe
Slot 1 (obsoleto)
P/ Pentium II, P3
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Arquitetura 64
Soquete 1 (obsoleto)
P/ 486DX, 486SX
Socket 423 (Intel)
Pentium 4
Substituído pelo soket 478

Soquetes
Socket 754 (AMD)
Athlon, Sempron, Turion
Socket 939 (AMD)
Prof. Mauro
Arquitetura 65
Socket 939 (AMD)
Athlon 64/64FX/64X2, Opteron

Soquetes atuais
Socket AM3 (AMD)
Prof. Mauro
Arquitetura 66
Socket T (Intel)
Core I7, Xeon,

Soquetes atuais
Socket LGA775
Core 2 Duo/Quad
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Arquitetura 67

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