1) O documento discute a arquitetura e funcionamento dos processadores. 2) Aborda temas como a unidade lógica e aritmética, a velocidade do processador, a cache interna e os tipos de arquitetura CISC e RISC. 3) Fornece detalhes sobre como o processador se comunica com dispositivos externos através de buses de endereços, dados e controlo.

1. INSTALAÇÃO MANUTENÇÃO MICROCOMPUTADORES Processadores Prof. Ricardo Raposo

2. CPU CPU = C entral P rossessing U nit O CPU é a parte mais importante do computador. É a parte do computador capaz de executar um programa. E é o único que consegue processar os dados introduzidos pelos periféricos de entrada. O processador é o elemento nuclear, que controla, directa ou indirectamente , toda a actividade do sistema. Prof. Ricardo Raposo

3. CPU Um PC pode ter mais do que um processador. Estamos neste caso perante um sistema multiprocessador (diferente de multiprocessamento) 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. Prof. Ricardo Raposo

4. CPU O CPU não é o único processador existente no sistema. Existem vários outros. Alguns deles estão presentes na motherboard do sistema, outros estão integrados em placas de expansão. (ex.: placa gráfica) Estes processadores, com características diferentes do CPU, executam funções auxiliares ou especializadas. O CPU é o “coordenador geral” do sistema. Algumas tarefas especializadas e de controlo, são delegadas em processadores auxiliares. Prof. Ricardo Raposo

5. O processador O “instruction set” do processador 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. Prof. Ricardo Raposo

6. O processador O “instruction set” do processador 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. 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. Prof. Ricardo Raposo

7. O processador O processador e o bus 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. Um bus é uma espécie de “auto-estrada” electrónica onde circulam: dados , endereços de memória , instruções e sinais de controlo . Prof. Ricardo Raposo

8. O processador O processador e o bus 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. O número de linhas do bus determina igualmente a quantidade de memória a que o processador pode ter acesso. Prof. Ricardo Raposo

9. O processador O bus interno O processador possui internamente várias unidades funcionais que são ligadas por buses. Nesses buses circulam dados, instruções, endereços de memória e sinais de controlo. Prof. Ricardo Raposo

10. O processador As linhas do bus de endereços 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. Cada dispositivo dispõe de um descodificador de endereços ( address decoder ). Quando o processador coloca um endereço no bus, o descodificador de endereços de cada dispositivo identifica as “mensagens” que são dirigidas a esse dispositivo. Prof. Ricardo Raposo

11. O processador As linhas do bus de endereços 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) Prof. Ricardo Raposo

12. O processador As linhas do bus de endereços 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. Actualmente tem 64 linhas, que dá __________ de memória Prof. Ricardo Raposo

13. O processador As linhas do bus de dados Como a designação indica, o bus de dados ( data bus ) tem por finalidade transportar a informação entre o processador e os dispositivos externos. A comunicação do processador com os dispositivos externos pode ser de dois tipos: do processador para um dispositivo externo operação de escrita de um dispositivo externo para o processador operação de leitura Prof. Ricardo Raposo

14. O processador As linhas do bus de controlo O bus de controlo ( control bus ) desempenha duas funções essenciais: Caracterizar o tipo de Operação (por exemplo, indicando se se trata de uma operação de escrita ou de leitura) 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. Prof. Ricardo Raposo

15. O processador As linhas do bus de controlo Prof. Ricardo Raposo

16. O processador A Unidade Lógica e Aritmética A execução de certas operações matemáticas é mais rapidamente executada através de processadores especializados nessas funções. Nos primeiros modelos, o coprocessador matemático constituía uma unidade autónoma. Prof. Ricardo Raposo

17. O processador A Unidade Lógica e Aritmética 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. Uma operação matemática, que no processador necessita de várias instruções para ser concluída, pode ser realizada em uma única instrução pelo coprocessador. É na verdade uma grande calculadora… Prof. Ricardo Raposo

18. O processador A velocidade do processador Num computador tudo é feito de forma sincronizada. O tempo é dividido em pequeníssimos intervalos. Esses intervalos de tempo correspondem aos ciclos gerados por um relógio que sincroniza a actividade do sistema. Prof. Ricardo Raposo

19. O processador A velocidade do processador A duração de qualquer actividade é medida num determinado número de ciclos de relógio. Imagine dois dispositivos que têm de comunicar um com o outro e realizar uma actividade de forma sincronizada. 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”. O primeiro dispositivo deve aguardar o tempo correspondente a um ciclo de relógio para que a operação possa prosseguir. Prof. Ricardo Raposo

20. O processador A velocidade do processador Cada processador funciona internamente a uma velocidade que é medida em ciclos de relógios. Correntemente, um processador pode executar cerca de ____________de ciclos de relógio por segundo. A velocidade de relógio do processador é medida em megahertz (MHz ou GHz). Um megahertz corresponde a um milhão de ciclos de relógio por segundo. Prof. Ricardo Raposo

21. O processador A velocidade do processador Um processador funcionando a 200 MHz gera internamente, em cada segundo, 200 milhões de ciclos de relógio por segundo . Cada ciclo de relógio tem uma duração que, em segundos, é de 0,000000005. Se uma operação puder ser executada num único ciclo de relógio, o processador poderia executar 200 milhões de instruções desse tipo em cada segundo. O número de ciclos de relógio que um processador necessita para realizar uma operação, depende da complexidade da operação. Prof. Ricardo Raposo

22. O processador A velocidade do processador 5.1Ghz for the Core 2 Quad Q6600, Overclocking record Prof. Ricardo Raposo

23. O processador A velocidade do processador Micro segundo: corresponde a 111 000 000 de segundo. Nano segundo: corresponde a 1/1 000 000 000 de segundo. Neste caso, perde-se obviamente a noção intuitiva desta duração. No entanto, para que se possa fazer uma ideia, bastará considerar que há tantos nanossegundos num segundo como segundos há em, aproximadamente, 31 anos. Mas, se quisermos, ainda podemos ver as coisas de um outro prisma: há tantos nanossegundos num minuto como minutos há em 1141 séculos... Prof. Ricardo Raposo

24. O processador A Unidade de Controlo 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; A apoiá-la/o terá a colaboração de uma outra estrutura, o descodificador de instruções. Prof. Ricardo Raposo

25. O processador Como o processador “dialoga” com o mundo exterior Os espaços de endereços de memória e de input/output Para o processador existem apenas dois tipos de entidades no mundo exterior: a memória e os periféricos de input/output. Cada localização de memória e cada periférico de input/output são reconhecidos através de endereços. Prof. Ricardo Raposo

26. O processador Como o processador “dialoga” com o mundo exterior Os espaços de endereços de memória e de input/output A cada localização de memória corresponde um endereço. A cada periférico de input/output podem corresponder vários endereços. Para se dirigir a um determinado endereço, o processador coloca esse endereço nas linhas do bus de endereços . Prof. Ricardo Raposo

27. O processador Como o processador “dialoga” com o mundo exterior Os espaços de endereços de memória e de input/output 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. O processador assinala a que tipo de entidade o endereço se destina usando uma linha especial designada por M/lO (Memory ou lnput/Output). Essa linha pode assumir dois estados: high ou low. Prof. Ricardo Raposo

28. O processador Como o processador “dialoga” com o mundo exterior Os espaços de endereços de memória e de input/output Se o endereço se destina a uma localização de memória, a linha é colocada no estado high. Se o endereço se destina a um dispositivo de input/output, a linha é colocada no estado low. Prof. Ricardo Raposo

29. O processador Os descodificadores de endereços (address decoders) 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. Prof. Ricardo Raposo

30. O processador Os descodificadores de endereços (address decoders) 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. Prof. Ricardo Raposo

31. O processador Os descodificadores de endereços (address decoders) A unidade encarregada de interpretar e descodificar os sinais do bus designa-se por address decoder (descodificador de endereços). Cada dispositivo tem associado um descodificador de endereços. Prof. Ricardo Raposo

32. O processador Os descodificadores de endereços (address decoders) 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. Prof. Ricardo Raposo

33. O processador A cache interna do processador A velocidade de processamento dos primeiros processadores dos PC era perfeitamente compatível com a velocidade de resposta dos circuitos de memória RAM. A actividade do processador não era afectada por demoras de que resultassem “ estados de espera ”, isto é, ciclos de relógio com inactividade do processador. O desenvolvimento da tecnologia dos processadores não foi acompanhado por um desenvolvimento idêntico da tecnologia dos circuitos da memória. Prof. Ricardo Raposo

34. O processador A cache interna do processador Os acessos do processador à memória RAM passaram a ser retardados pela lentidão de resposta dos circuitos da RAM. Um ou mais “estados de espera” eram necessários para que a informação solicitada pelo processador pudesse ser fornecida pela RAM. A solução encontrada para evitar esses estados de espera consistiu na criação da chamada memória cache, ou RAM cache. Prof. Ricardo Raposo

35. O processador A cache interna do processador 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). Essa memória cache, fica situada entre o processador e a memória RAM Prof. Ricardo Raposo

36. O processador A cache interna do processador 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. 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. Prof. Ricardo Raposo

37. O processador Processadores CISC e RISC Existem duas arquitecturas básicas utilizadas no desenho de processadores: a arquitectura CISC ( Complex Instruction Set Computer ) a arquitectura RISC ( Reduced Instruction Set Computer ). Prof. Ricardo Raposo

38. O processador A arquitectura CISC Os processadores baseados numa arquitectura CISC contêm um relativamente elevado número de instruções máquina (várias centenas). Uma característica fundamental do funcionamento destes processadores é o sistema de microcódigo, contido em dispositivos de memória ROM, dentro do próprio processador. As instruções do instruction set do processador têm de ser descodificadas numa sequência de instruções mais elementares, que serão executadas com recurso ao microcódigo. E como se as instruções tivessem de sofrer um processo adicional de “interpretação” dentro do processador. Prof. Ricardo Raposo

39. O processador A arquitectura RISC Os modelos baseados na arquitectura RISC possuem um número de instruções menor do que os computadores de arquitectura CISC. 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. Prof. Ricardo Raposo

40. O processador Actualmente, os processadores comercializados possuem características de ambas arquitecturas. Actualmente um processador pode conter um núcleo duplo (ex: core 2 duo) ou um nucleo quadruplo (ex: core 2 quad) Prof. Ricardo Raposo

41. O processador Prof. Ricardo Raposo