5 hardware - processadores

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5 hardware - processadores

  1. 1. INSTALAÇÃO MANUTENÇÃO MICROCOMPUTADORES Processadores Prof. Ricardo Raposo
  2. 2. CPU <ul><li>CPU = C entral P rossessing U nit </li></ul><ul><li>O CPU é a parte mais importante do computador. </li></ul><ul><li>É a parte do computador capaz de executar um programa. </li></ul><ul><li>E é o único que consegue processar os dados introduzidos pelos periféricos de entrada. </li></ul><ul><li>O processador é o elemento nuclear, que controla, directa ou indirectamente , toda a actividade do sistema. </li></ul>Prof. Ricardo Raposo
  3. 3. CPU <ul><li>Um PC pode ter mais do que um processador. </li></ul><ul><li>Estamos neste caso perante um sistema multiprocessador (diferente de multiprocessamento) </li></ul><ul><li>Quando um computador está equipado com dois ou mais processadores, pode questionar-se a utilização da sigla CPU, uma vez que, nesse caso, não existe uma unidade central, mas sim vários processadores que cooperam no processamento da informação. </li></ul>Prof. Ricardo Raposo
  4. 4. CPU <ul><li>O CPU não é o único processador existente no sistema. </li></ul><ul><li>Existem vários outros. Alguns deles estão presentes na motherboard do sistema, outros estão integrados em placas de expansão. (ex.: placa gráfica) </li></ul><ul><li>Estes processadores, com características diferentes do CPU, executam funções auxiliares ou especializadas. </li></ul><ul><li>O CPU é o “coordenador geral” do sistema. Algumas tarefas especializadas e de controlo, são delegadas em processadores auxiliares. </li></ul>Prof. Ricardo Raposo
  5. 5. O processador <ul><li>O “instruction set” do processador </li></ul><ul><ul><li>O instruction set é o conjunto de instruções básicas que o processador pode interpretar e executar. Cada modelo de processador possui o seu próprio conjunto de instruções. Esse conjunto de instruções é também designado por linguagem máquina do processador. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  6. 6. O processador <ul><li>O “instruction set” do processador </li></ul><ul><ul><li>Dentro de uma mesma “família” de processadores, os modelos mais recentes incorporam funcionalidades novas e também, em muitos casos, um instruction set mais rico, isto é contendo um maior número de instruções. </li></ul></ul><ul><ul><li>Os programas de computador podem ser escritos numa variedade de linguagens de programação, mas, antes de serem executados pelo processador, têm de ser convertidos para a linguagem máquina, isto é, para instruções que façam parte do instruction set do computador. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  7. 7. O processador <ul><li>O processador e o bus </li></ul><ul><ul><li>A informação circula dentro do processador e é recebida e transmitida do processador para o exterior através de canais de comunicação que se designam por bus. </li></ul></ul><ul><ul><li>Um bus é uma espécie de “auto-estrada” electrónica onde circulam: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>dados , </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>endereços de memória , </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>instruções e </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>sinais de controlo . </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  8. 8. O processador <ul><li>O processador e o bus </li></ul><ul><ul><li>Quanto maior for o número de linhas do bus, maior é a quantidade de informação que em cada momento pode ser transmitida, dentro do próprio processador e entre o processador e o exterior. </li></ul></ul><ul><ul><li>O número de linhas do bus determina igualmente a quantidade de memória a que o processador pode ter acesso. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  9. 9. O processador <ul><li>O bus interno </li></ul><ul><ul><li>O processador possui internamente várias unidades funcionais que são ligadas por buses. </li></ul></ul><ul><ul><li>Nesses buses circulam dados, instruções, endereços de memória e sinais de controlo. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  10. 10. O processador <ul><li>As linhas do bus de endereços </li></ul><ul><ul><li>O bus de endereços ( address bus ) é utilizado para identificar o dispositivo externo com o qual o processador pretende comunicar, bem como a exacta localização a que o processador pretende aceder dentro desse dispositivo. </li></ul></ul><ul><ul><li>Cada dispositivo dispõe de um descodificador de endereços ( address decoder ). </li></ul></ul><ul><ul><li>Quando o processador coloca um endereço no bus, o descodificador de endereços de cada dispositivo identifica as “mensagens” que são dirigidas a esse dispositivo. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  11. 11. O processador <ul><li>As linhas do bus de endereços </li></ul><ul><ul><li>O número de linhas do bus de endereços determina o número máximo de localizações de memória a que o processador pode ter acesso. Por exemplo, se um processador tiver um bus de endereços com 20 linhas, pode colocar nesse bus 2 20 = 1.048.576 endereços. Como cada endereço de memória constitui um byte, a capacidade de memória a que 20 linhas de endereços permitem aceder é 1 MB. (1 MB = 1 048 576 bytes) </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  12. 12. O processador <ul><li>As linhas do bus de endereços </li></ul><ul><ul><li>Os primeiros processadores dos PC (os modelos 8086/8088) possuíam 20 linhas no bus de endereços, o que lhes permitia aceder a um máximo de 1 MB de memória. Os processadores 286 apresentavam 24 linhas para endereços, podendo assim aceder a 16 MB de memória. A partir do modelo 386, todos os processadores vinham equipados com 32 linhas de endereços, possibilitando o acesso a um máximo de 4 GB de memória. </li></ul></ul><ul><ul><li>Actualmente tem 64 linhas, que dá __________ de memória </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  13. 13. O processador <ul><li>As linhas do bus de dados </li></ul><ul><ul><li>Como a designação indica, o bus de dados ( data bus ) tem por finalidade transportar a informação entre o processador e os dispositivos externos. </li></ul></ul><ul><ul><li>A comunicação do processador com os dispositivos externos pode ser de dois tipos: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>do processador para um dispositivo externo operação de escrita </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>de um dispositivo externo para o processador operação de leitura </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  14. 14. O processador <ul><li>As linhas do bus de controlo </li></ul><ul><ul><li>O bus de controlo ( control bus ) desempenha duas funções essenciais: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Caracterizar o tipo de Operação (por exemplo, indicando se se trata de uma operação de escrita ou de leitura) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Sincronizar o funcionamento do processador com os restantes dispositivos externos. Esta função de sincronização é indispensável, pois os dispositivos externos são em regra muito mais lentos do que o processador. </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  15. 15. O processador <ul><li>As linhas do bus de controlo </li></ul>Prof. Ricardo Raposo
  16. 16. O processador <ul><li>A Unidade Lógica e Aritmética </li></ul><ul><ul><li>A execução de certas operações matemáticas é mais rapidamente executada através de processadores especializados nessas funções. </li></ul></ul><ul><ul><li>Nos primeiros modelos, o coprocessador matemático constituía uma unidade autónoma. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  17. 17. O processador <ul><li>A Unidade Lógica e Aritmética </li></ul><ul><ul><li>Esse recurso, hoje em dia, é embutido no processador, e seu uso é considerado indispensável, pois ele é projectado para realizar os mais diversos tipos de cálculo. </li></ul></ul><ul><ul><li>Uma operação matemática, que no processador necessita de várias instruções para ser concluída, pode ser realizada em uma única instrução pelo coprocessador. </li></ul></ul><ul><ul><li>É na verdade uma grande calculadora… </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  18. 18. O processador <ul><li>A velocidade do processador </li></ul><ul><ul><li>Num computador tudo é feito de forma sincronizada. </li></ul></ul><ul><ul><li>O tempo é dividido em pequeníssimos intervalos. </li></ul></ul><ul><ul><li>Esses intervalos de tempo correspondem aos ciclos gerados por um relógio que sincroniza a actividade do sistema. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  19. 19. O processador <ul><li>A velocidade do processador </li></ul><ul><ul><li>A duração de qualquer actividade é medida num determinado número de ciclos de relógio. </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Imagine dois dispositivos que têm de comunicar um com o outro e realizar uma actividade de forma sincronizada. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Se um dos dispositivos necessitar do tempo correspondente a um ciclo de relógio e o outro necessitar de dois, gera-se um “estado de espera”. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>O primeiro dispositivo deve aguardar o tempo correspondente a um ciclo de relógio para que a operação possa prosseguir. </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  20. 20. O processador <ul><li>A velocidade do processador </li></ul><ul><ul><li>Cada processador funciona internamente a uma velocidade que é medida em ciclos de relógios. </li></ul></ul><ul><ul><li>Correntemente, um processador pode executar cerca de ____________de ciclos de relógio por segundo. </li></ul></ul><ul><ul><li>A velocidade de relógio do processador é medida em megahertz (MHz ou GHz). </li></ul></ul><ul><ul><li>Um megahertz corresponde a um milhão de ciclos de relógio por segundo. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  21. 21. O processador <ul><li>A velocidade do processador </li></ul><ul><ul><li>Um processador funcionando a 200 MHz gera internamente, em cada segundo, 200 milhões de ciclos de relógio por segundo . </li></ul></ul><ul><ul><li>Cada ciclo de relógio tem uma duração que, em segundos, é de 0,000000005. </li></ul></ul><ul><ul><li>Se uma operação puder ser executada num único ciclo de relógio, o processador poderia executar 200 milhões de instruções desse tipo em cada segundo. </li></ul></ul><ul><ul><li>O número de ciclos de relógio que um processador necessita para realizar uma operação, depende da complexidade da operação. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  22. 22. O processador <ul><li>A velocidade do processador </li></ul><ul><li>5.1Ghz for the Core 2 Quad Q6600, Overclocking record </li></ul>Prof. Ricardo Raposo
  23. 23. O processador <ul><li>A velocidade do processador </li></ul><ul><ul><ul><li>Micro segundo: corresponde a 111 000 000 de segundo. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Nano segundo: corresponde a 1/1 000 000 000 de segundo. </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Neste caso, perde-se obviamente a noção intuitiva desta duração. </li></ul></ul><ul><ul><li>No entanto, para que se possa fazer uma ideia, bastará considerar que há tantos nanossegundos num segundo como segundos há em, aproximadamente, 31 anos. </li></ul></ul><ul><ul><li>Mas, se quisermos, ainda podemos ver as coisas de um outro prisma: há tantos nanossegundos num minuto como minutos há em 1141 séculos... </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  24. 24. O processador <ul><li>A Unidade de Controlo </li></ul><ul><ul><li>E responsável por gerar todos os sinais que controlam as operações no exterior do processador, e ainda por dar todas as instruções para o correcto funcionamento interno do processador; </li></ul></ul><ul><ul><li>A apoiá-la/o terá a colaboração de uma outra estrutura, o descodificador de instruções. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  25. 25. O processador <ul><li>Como o processador “dialoga” com o mundo exterior </li></ul><ul><ul><li>Os espaços de endereços de memória e de input/output </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Para o processador existem apenas dois tipos de entidades no mundo exterior: </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>a memória e </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>os periféricos de input/output. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Cada localização de memória e cada periférico de input/output são reconhecidos através de endereços. </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  26. 26. O processador <ul><li>Como o processador “dialoga” com o mundo exterior </li></ul><ul><ul><li>Os espaços de endereços de memória e de input/output </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>A cada localização de memória corresponde um endereço. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>A cada periférico de input/output podem corresponder vários endereços. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Para se dirigir a um determinado endereço, o processador coloca esse endereço nas linhas do bus de endereços . </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  27. 27. O processador <ul><li>Como o processador “dialoga” com o mundo exterior </li></ul><ul><ul><li>Os espaços de endereços de memória e de input/output </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>O sistema exterior ao processador necessita de saber se esse endereço se destina a uma localização de memória ou a um periférico de input/output. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>O processador assinala a que tipo de entidade o endereço se destina usando uma linha especial designada por M/lO (Memory ou lnput/Output). </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Essa linha pode assumir dois estados: high ou low. </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  28. 28. O processador <ul><li>Como o processador “dialoga” com o mundo exterior </li></ul><ul><ul><li>Os espaços de endereços de memória e de input/output </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Se o endereço se destina a uma localização de memória, a linha é colocada no estado high. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Se o endereço se destina a um dispositivo de input/output, a linha é colocada no estado low. </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  29. 29. O processador <ul><li>Os descodificadores de endereços (address decoders) </li></ul><ul><ul><li>A cada um dos dispositivos com os quais os processador pode estabelecer contacto (a RAM, a ROM, o teclado, os discos, etc.) corresponde um determinado conjunto de endereços. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  30. 30. O processador <ul><li>Os descodificadores de endereços (address decoders) </li></ul><ul><ul><li>Quando o processador coloca um sinal no bus de endereços e identifica, através da linha M/lO , se se trata de um endereço de memória ou de um endereço de input/output, é necessário que cada dispositivo possa reconhecer se o sinal do bus aponta para um elemento do conjunto dos endereços que lhe estão associados. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  31. 31. O processador <ul><li>Os descodificadores de endereços (address decoders) </li></ul><ul><ul><li>A unidade encarregada de interpretar e descodificar os sinais do bus designa-se por address decoder (descodificador de endereços). </li></ul></ul><ul><ul><li>Cada dispositivo tem associado um descodificador de endereços. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  32. 32. O processador <ul><li>Os descodificadores de endereços (address decoders) </li></ul><ul><ul><li>A missão do descodificador de endereços de cada dispositivo é analisar o sinal colocado no bus e verificar se esse endereço está situado dentro dos limites da zona de endereçamento do seu dispositivo. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  33. 33. O processador <ul><li>A cache interna do processador </li></ul><ul><ul><li>A velocidade de processamento dos primeiros processadores dos PC era perfeitamente compatível com a velocidade de resposta dos circuitos de memória RAM. </li></ul></ul><ul><ul><li>A actividade do processador não era afectada por demoras de que resultassem “ estados de espera ”, isto é, ciclos de relógio com inactividade do processador. </li></ul></ul><ul><ul><li>O desenvolvimento da tecnologia dos processadores não foi acompanhado por um desenvolvimento idêntico da tecnologia dos circuitos da memória. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  34. 34. O processador <ul><li>A cache interna do processador </li></ul><ul><ul><li>Os acessos do processador à memória RAM passaram a ser retardados pela lentidão de resposta dos circuitos da RAM. </li></ul></ul><ul><ul><li>Um ou mais “estados de espera” eram necessários para que a informação solicitada pelo processador pudesse ser fornecida pela RAM. </li></ul></ul><ul><ul><li>A solução encontrada para evitar esses estados de espera consistiu na criação da chamada memória cache, ou RAM cache. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  35. 35. O processador <ul><li>A cache interna do processador </li></ul><ul><ul><li>Trata-se de uma memória de capacidade relativamente pequena em comparação com a memória RAM do sistema, mas construída com circuitos muito mais rápidos (mas também muito mais caros). </li></ul></ul><ul><ul><li>Essa memória cache, fica situada entre o processador e a memória RAM </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  36. 36. O processador <ul><li>A cache interna do processador </li></ul><ul><ul><li>O ideal é que, de cada vez que necessita de uma nova instrução, o processador a encontre disponível dentro do próprio chip, sem necessidade de acesso a dispositivos externos. </li></ul></ul><ul><ul><li>A criação de uma memória cache interna, isto é, uma memória cache integrada no próprio processador, permite evitar os ciclos de bus externos, desde que a informação necessária se encontre presente na cacho interna, no momento em que é requisitada. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  37. 37. O processador <ul><li>Processadores CISC e RISC </li></ul><ul><ul><li>Existem duas arquitecturas básicas utilizadas no desenho de processadores: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>a arquitectura CISC ( Complex Instruction Set Computer ) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>a arquitectura RISC ( Reduced Instruction Set Computer ). </li></ul></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  38. 38. O processador <ul><li>A arquitectura CISC </li></ul><ul><ul><li>Os processadores baseados numa arquitectura CISC contêm um relativamente elevado número de instruções máquina (várias centenas). </li></ul></ul><ul><ul><li>Uma característica fundamental do funcionamento destes processadores é o sistema de microcódigo, contido em dispositivos de memória ROM, dentro do próprio processador. </li></ul></ul><ul><ul><li>As instruções do instruction set do processador têm de ser descodificadas numa sequência de instruções mais elementares, que serão executadas com recurso ao microcódigo. </li></ul></ul><ul><ul><li>E como se as instruções tivessem de sofrer um processo adicional de “interpretação” dentro do processador. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  39. 39. O processador <ul><li>A arquitectura RISC </li></ul><ul><ul><li>Os modelos baseados na arquitectura RISC possuem um número de instruções menor do que os computadores de arquitectura CISC. </li></ul></ul><ul><ul><li>Uma das principais características dos processadores baseados na arquitectura RISC consiste no facto de as suas instruções não necessitarem de um processo de descodificação, nem do recurso à execução através de microcódigo, podendo, por esse facto ser imediatamente executadas. </li></ul></ul>Prof. Ricardo Raposo
  40. 40. O processador <ul><li>Actualmente, os processadores comercializados possuem características de ambas arquitecturas. </li></ul><ul><li>Actualmente um processador pode conter um núcleo duplo (ex: core 2 duo) ou um nucleo quadruplo (ex: core 2 quad) </li></ul>Prof. Ricardo Raposo
  41. 41. O processador Prof. Ricardo Raposo

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