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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
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Arquitetura 3
Início: “computadores” mecânicos
Século 13 AC: invenção do Ábaco pelos
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•Primeiro instrumento a permitir executar
todas as operações aritméticas
•Foi muito usado para cálculos no
Prof. Mauro
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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
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Início: “computadores” mecânicos
Octograma Chinês Yin Yang:
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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
Início: “computadores” mecânicos
1801: Máquina de tear / Cartão
perfurado
Joseph Marie Jacquard (tecelão francês)
Memorizava desenhos em cartões
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Operações: adição e subtração
Primeiro registro de programação
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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)
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condicionais e de desvio
Computadores eletromecânicos
1936: Z1 – baseado em relé (Konrad Zuse -
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programa
Z4: usado em projeto de mísseis
1943: Colosso (Alan Turing). 2000 válvulas e
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1943: Colosso (Alan Turing). 2000 válvulas e
máquina de leitura de fita perfurada.
Decodificação de mensagens dos Alemãos
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Arquitetura 8
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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
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18.000 válvulas, 30 tonelada
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1º computador de aplicações científicas e comerciais
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Arquitetura 9
1º computador de aplicações científicas e comerciais
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1953: IBM 701
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Depois da válvula
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1958: circuito integrado (Jack Kilby, Texas
Instruments)
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Arquitetura 10
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Resistores e capacitores num mesmo pedaço de
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1964: IBM 360 – 1ª família de computadores
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Microprocessadores
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1972: 8008 (Intel)
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1972: 8008 (Intel)
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8 bits; propósito geral
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Microprocessadores
1975-1977
Z80 (Zilog)
6502 (MOS Technology)
Computador Apple 1 (Steve Wozniac e Steve Jobs)
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Arquitetura 12
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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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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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 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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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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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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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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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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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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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
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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:
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Memória cache
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efetua a leitura da memória RAM e coloca-
os na memória cache
O microprocessador obtém os dados
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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
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Número de ciclos necessários para executar cada instrução
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Arquitetura 35
Número de ciclos necessários para executar cada instrução
Capacidade e velocidade da memória cache
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Conjunto de instruções de máquina
É o conjunto de valores binários que foram
codificados para representar todas as operações
que a CPU executa
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duas partes principais:
Código da operação: identifica a operação a ser
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Código da operação: identifica a operação a ser
realizada
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São comandos simples como operações lógicas e
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Exemplos de aplicações
Os microprocessadores e microcontroladores
podem ser aplicados em:
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Controle de fornos microondas
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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
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Unidade Aritmético-Lógica (ULA)
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De dados: Acumulador (AC) e outros registradores de
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De índices (X,Y,etc.)
Ponteiro de Pilha ou Stack Pointer (SP)
Registrador de status (Status Flags), ou
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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
Prof. Mauro
Microprocessadores II
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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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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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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operação
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SP 0100
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Endereço Conteúdo
0000h 00
0001h EB
0002h 29
...
0100h 00
Microprocessador
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PC 0300
Registro de Status
C O Z P S . . .
0100h 00
0101h 00
...
0300h
0301h
...
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Pilha
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De dados
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De dados
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Clock
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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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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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Barramento de controle
Barramentos
Barramento de dados: barramento através do
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Cada bit equivale a um pino do microprocessador
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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
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microprocessador especificar qual a posição de
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O tamanho do barramento define a quantidade
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O tamanho do barramento define a quantidade
máxima de memória endereçável diretamente:
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Barramento de controle: usado para controlar o
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Unidade: Hz (MHz, GHz)
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não 5 milhões de instruções por segundo
Clock
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dados são multiplexados com os de endereços
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encapsulamento (e o custo)
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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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Cerâmica
A pinagem é de metal. Em alguns modelos
os pinos eram banhados a outro
No mercado, a pinagem é relacionada ao
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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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Encapsulamento PLCC
PLCC: Plastic Leaded Chip Carrier
Encapsulamento plástico com terminais dos
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Mais comum em ROM BIOS e microcontroladores
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SMD (Surface Mountage Devices)
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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)
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Soquetes
Socket 754 (AMD)
Athlon, Sempron, Turion
Socket 939 (AMD)
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Socket 939 (AMD)
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  • 1. Microprocessadores IIMicroprocessadores II Professor: Mauro Jansen Histórico, conceitos, características e Arquitetura 05/05/2015
  • 2. Conteúdo programático Histórico de microprocessadores Conceitos básicos Caracterização Arquitetura Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 2 Arquitetura Pinagem e soquetes
  • 4. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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.
  • 5. Início: “computadores” mecânicos 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 6. Início: “computadores” mecânicos 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 7. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 8. Curiosidades Primeira programadora da história: Augusta Ada Byron (condessa de Lovelace), filha do poeta Lorde Byron Formada em matemática, trabalhou com Charles Babbage Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 9. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 9 1º computador de aplicações científicas e comerciais UNIVAC II e UNIVAC 1100 series 1953: IBM 701 Aplicações científicas
  • 10. 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) Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 11. Microprocessadores 1971: 4004 (Intel) 1º microprocessador criado; 4 bits; BCD Aplicação voltada para calculadoras 45 instruções; 605B; 108KHz; 2.300 transistores 1972: 8008 (Intel) Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 12. Microprocessadores 1975-1977 Z80 (Zilog) 6502 (MOS Technology) Computador Apple 1 (Steve Wozniac e Steve Jobs) Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 12 Criação da Microsoft Micro CP300 (Z80) Micro Apple II (6502) (1977) US$ 1.195 Micro Apple I (6502)
  • 13. 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) Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 14. Tabela resumo da evolução Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 14
  • 15. Tabela resumo da evolução Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 15
  • 17. Memória Local de armazenamento de informações binárias Podem ser circuitos semicondutores, mídias magnéticas, óticas, etc. Cada posição de memória é identificada Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 17 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)
  • 18. Memória Endereço Conteúdo 0000h 00 0001h EB Exemplo de bloco de memória com 64K posições (64KB) Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 19. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 20. Registradores Memórias internas do microprocessador que registram apenas uma informação binária por vez Podem ser de 8 bits (1 byte), 16 bits (2 bytes), Prof. Mauro Microprocessadores II 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.
  • 21. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 21 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)
  • 22. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 23. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 24. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 24 Podem ser ocasionadas por: Pedido interno (interrupções de software) Pedido externo (interrupções de hardware)
  • 25. Instruções Instrução é um comando a ser executado pelo microprocessador Cada microprocessador tem um conjunto de instruções (comandos da linguagem de máquina) particular Prof. Mauro Microprocessadores II 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.
  • 27. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 27 Precisa de periféricos externos tais como memória e unidades de entrada e saída para compor um sistema funcional mínimo
  • 28. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 28 timers, controles de interrupção, memória RAM e ROM
  • 29. Funções do microprocessador Busca e execução de instruções existentes na memória Leitura (de instruções e dados) da memória Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 29 memória Gravação de dados na memória Comunicação com o mundo exterior (entrada e saída – E/S)
  • 30. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 31. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 31 Depende do tamanho do barramento de endereços Capacidade = 2N (N: número de bits no barramento de endereços)
  • 32. Clock Define a frequência de operação do microprocessador Medida em Hz (Hertz) Está relacionado com o número de Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 32 Está relacionado com o número de instruções que podem ser executadas a cada segundo Cada instrução é executada em N ciclos do clock
  • 33. Memória cache Pequena quantidade de memória usada para acelerar a leitura de dados da memória RAM Memória de alta velocidade e alto custo Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 33 Memória de alta velocidade e alto custo Tipos: Cache interno ou L1 (nível 1) ou primário Cache externo ou L2 (nível 2) ou secundário
  • 34. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 34 O microprocessador obtém os dados diretamente do cache e, enquanto isso, o controlador de cache já está lendo outros dados da RAM
  • 35. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 35 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
  • 36. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 36 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
  • 37. Exemplos de aplicações Os microprocessadores e microcontroladores podem ser aplicados em: Microcomputadores Calculadoras Relógios digitais Controle de fornos microondas Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 39. Diagrama de um sistema microprocessado Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 39
  • 41. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 41 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
  • 42. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 43. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 44. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 44 em operações de movimentação ou contagem
  • 45. Elementos internos Ponteiro de pilha ou Stack Pointer (SP): registrador que aponta para o dado atual na pilha Decodificador: parte do Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 46. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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)
  • 47. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 47 PC 0300 Registro de Status C O Z P S . . . 0100h 00 0101h 00 ... 0300h 0301h ... Área da pilha Área do programa
  • 48. Arquitetura externa Memória Pilha Cache externo Barramentos De dados Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 48 De dados De endereços De controle Clock Dispositivos de entrada e saída (E/S)
  • 49. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 50. Barramentos (Unidirecional) Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 50 R=Read W=Write M=Memória IO=Entrada/Saída (Bidirecional) Barramento de controle
  • 51. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 52. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 53. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 53 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
  • 54. Clock Gerador de pulsos que sincroniza a execução de operações do microprocessador Unidade: Hz (MHz, GHz) Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 55. Clock Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 55 Cristal e CI gerador de frequência numa placa mãe
  • 56. Execução de instruções Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 56
  • 58. 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) Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 59. Fabricação e mercado O encapsulamento é encontrado em dois materiais: Plástico Cerâmica Prof. Mauro Microprocessadores II 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
  • 60. Encapsulamento DIP DIP: Dual In-line Package (Duas linhas de pinos laterais) Ex.: Intel 8088 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 60
  • 61. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 61 Mais comum em ROM BIOS e microcontroladores
  • 62. Encapsulamento QFP ou SMD QFD: Quad Flat Package (encapsulamento quadrado) Similar ao PLCC, só que para soldagem SMD (Surface Mountage Devices) Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 62 SMD (Surface Mountage Devices)
  • 63. 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 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 63 Numeração de pinos por linhas e colunas
  • 64. Soquetes Padrões de conexão do microprocessador à placa-mãe Slot 1 (obsoleto) P/ Pentium II, P3 Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 64 Soquete 1 (obsoleto) P/ 486DX, 486SX Socket 423 (Intel) Pentium 4 Substituído pelo soket 478
  • 65. Soquetes Socket 754 (AMD) Athlon, Sempron, Turion Socket 939 (AMD) Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 65 Socket 939 (AMD) Athlon 64/64FX/64X2, Opteron
  • 66. Soquetes atuais Socket AM3 (AMD) Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 66 Socket T (Intel) Core I7, Xeon,
  • 67. Soquetes atuais Socket LGA775 Core 2 Duo/Quad Prof. Mauro Microprocessadores II Arquitetura 67