Microprocessadores

Definição de Microprocessador e evolução das arquiteturas de microprocessadores

Definição:

O microprocessador, normalmente conhecido por processador ou CPU(do inglês Central Processing Unit) é um circuito integrado responsável por realizar as funções de cálculo e tomada de decisão de um computador. O microprocessador tem como função principal interligar todo o sistema, controlar as funções realizadas por cada unidade funcional, e é também responsável pela execução de todos os programas do sistema.

Athlon XP 1800+

Evolução:

O primeiro microprocessador comercial foi inventado pela Intel em 1971, a pedido de uma empresa japonesa que necessitava de um circuito especial integrado para as suas atividades. A Intel criou o 4004. Ao perceber a utilidade dessa invenção a Intel continuou o desenvolvimento de novos microprocessadores: o 8008, o 8080 e o 8085. 

Intel 8008

O 8080 foi um grande sucesso e tornou-se a base para os microcomputadores pessoais da década de 1970.

Da Intel saíram alguns funcionários que fundaram a Zilog, que posteriormente viria a lançar o Z80,com instruções semelhantes ao 8080, (embora tivesse muita mais capacidade) que também teve grande sucesso.

Em 1981 a IBM decidiu lançar-se no mercado dos computadores pessoais e no seu IBM-PC utilizou o 8088 (derivado do 8086, lançado em 1978). A Apple utilizava nos seus computadores  Macintosh microprocessadores da Motorola, da linha 68000

Outros fabricantes tinham também os seus microprocessadores, a Zilog tinha o Z8000, a Texas Instruments o TMS9900, a National Semiconductor o 16032 mas nenhum outro fabricante teve tanto sucesso como a Intel, que sucessivamente foi lançando melhoramentos na sua linha 80X86 tendo surgido (por ordem cronológica) o 8086, 8088, 80186, 80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium M, Pentium D, Pentium Dual Core, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core i3, Core i5 e Core i7. 

Intel Core i7

Como grande concorrente da Intel, a AMD surge inicialmente como fabricante de microprocessadores da linha X86 alternativa, mas a partir de certa altura partiu para o desenvolvimento da sua própria linha de microprocessadores, a linha K6: Athlon, Duron, Turion, Sempron, Phenom . Paralelamente á dispute entre a Intel e a AMD a IBM possuía a linha PowerPC, utilizada principalmente pelos microcomputadores da Apple.

Arquiteturas de Microprocessadores

RISC

Reduced Instruction Set Computer ou Computador com um Reduzido Conjunto de Instruções é uma arquitetura de microprocessadores que fornece um conjunto de instruções simples e pequeno, que levam aproximadamente o mesmo tempo a serem executadas. A maioria dos microprocessadores modernos utiliza esta arquitetura, por exemplo DEC Alpha e PowerPC. RISC é também a arquitetura utilizada nos processadores dos videojogos modernos.

Características das arquiteturas RISC :

·         Menor quantidade de instruções: Simplifica o processo de cada instrução e torna o processador mais eficaz

·         Melhor execução de chamadas de função

·         Menor quantidade de modos de endereçamento

CISC

Complex Instruction Set Computer ou Computador com um Conjunto Complexo de Instruções é uma arquitetura de microprocessadores com capacidade para executar centenas de instruções diferentes , sendo assim muito versátil. Exemplos de processadores que utilizam esta arquitetura são os 386 e 486 da Intel. Os processadores baseados nesta arquitetura contêm uma microprogramação, isto é, contêm um conjunto de instruções gravadas no processador, que lhe permitem receber instruções dos programas e executá-las, com base nas instruções contidas na sua microprogramação

                De um ponto de vista prático a vantagem da arquitetura CISC é o facto de ter muitas instruções gravadas no próprio processador, disponibilizando assim quase todas as instruções que serão usadas nos programas.

No entanto do ponto de vista do desempenho, os processadores CISC tem algumas desvantagens em relação aos RISC. Uma dessas desvantagens é a impossibilidade de se alterar alguma instrução composta para melhorar o desempenho .

Intel 486 SX - Um processador CISC

Principais componentes de um microprocessador

Unidade Lógica e Aritmética (ULA):

A Unidade Lógica e Aritmética é um circuito digital que realiza operações lógicas e aritméticas. É um componente fundamental de qualquer microprocessador.

A ULA executa as principais operações lógicas e aritméticas do computador, ou seja, é capaz de somar, subtrair, dividir, multiplicar, determinar se um número é positivo, negativo ou zero. Além de executar funções aritméticas a ULA é capaz de executar funções lógicas tais como determinar se uma quantidade é maior, menor ou igual a outra. A ULA pode executar funções lógicas tanto com números como com letras.

A maioria das ULA é capaz de executar as seguintes operações:

·         Operações aritméticas com números inteiros.

·         Operações lógicas: AND, OR, NOT, XOR.

Um ULA é capaz de executar qualquer operação, no entanto, quanto mais complexa é a operação, mais cara é a ULA, mais espaço é utilizado no processador e mais energia é dissipada.

Unidade de Ponto Flutuante:

                A Unidade de Ponto Flutuante (normalmente abreviada por FPU, do inglês Float Point Unit) é o componente de hardware responsável por executar operações matemáticas com dados representados em ponto flutuante. Esta unidade pode estar integrada na CPU, como acontece na maioria dos microprocessadores modernos ou pode ser implementada através de um coprocessador externo.

                Exemplos de coprocessadores externos :

·         8087 – Criado para trabalhar com o 8086

·         80287 – Criado para trabalhar com o 80286

Exemplos de processadores com FPU integrada:

·         Intel i486DX

·         Intel Pentium

Unidade de Controlo (UC):

                A Unidade de Controlo é o componente de um microprocessador responsável por gerar todos os sinais que controlam as operações exteriores ao microprocessador, e ainda por fornecer todas as instruções que garantem o correto funcionamento interno do microprocessador.

                A Unidade de Controlo realiza três funções básicas: fetch (busca), descodificação e execução.

                Dependendo do tipo de microprocessador a Unidade de Controlo pode ser do tipo fixo ou programável. A Unidade de Controlo do tipo fixo é aquela que já vem com um conjunto de instruções gravado pelo fabricante. A do tipo programável permite criar um conjunto de instruções próprio.

                Além de controlar a localização da memória onde está guardada a instrução que o computador está a executar a Unidade de Controlo também indica á ULA qual a operação que deve executar.

Memória Cache

                A memória cache é um dispositivo de acesso rápido, interno a um sistema, que serve de intermediário entre um operador de um processo e o dispositivo de armazenamento ao qual esse operador acede.  A vantagem principal da utilização de cache consiste em evitar o acesso demorado ao dispositivo de armazenamento, que pode ser demorado, ao guardar os dados em meios de acesso mais rápidos.

                Com os avanços tecnológicos, foram desenvolvidos vários tipos de cache. Atualmente é possível encontrar cache em processadores, discos-rígidos, servidores e placas-mãe. Por serem mais caros, os métodos de armazenamento mais rápidos não podem ser usados para todas as informações, sendo assim, usa-se a cache para armazenar apenas as informações usadas mais frequentemente. Nos discos-rígidos também existem chips de cache. Por exemplo a unidade Samsung de 160GB possui 8MB de cache.

No caso dos microprocessadores a cache é útil para disponibilizar alguns dados já requisitados ou outros a processar.

Como se organiza a memória de um microprocessador

Tipos de Endereçamento de dados

Endereçamento por Registo

                No endereçamento por registo, o valor do operando é guardado num registo interno. Este modo de endereçamento é mais eficiente, visto que é mais rápido obter um valor a partir de um registo do que a partir da memória.

Endereçamento indireto por registo

                No modo de endereçamento indireto por registo, o conteúdo do registo indica o endereço efetivo de memória onde os dados estão guardados, no caso de leitura, ou onde deverão ser guardados, no caso de escrita.

Endereçamento imediato

                No modo de endereçamento imediato, o valor do operando encontra-se codificado na própria instrução. Este modo de endereçamento apenas pode ser usado em operações de leitura.

Endereçamento direto

                No modo de endereçamento direto, o endereço efetivo de memória que vai ser utilizado pela operação é especificado na própria instrução

Endereçamento indexado

                No modo de endereçamento indexado, o conteúdo do registo indicado é adicionado a um valor codificado na própria instrução para obter o endereço efetivo que deve ser usado para ler e/ou guardar o resultado.

Endereçamento indireto

                No modo de endereçamento indireto, o valor especificado na instrução indica o endereço efetivo onde guardar os dados.

Lista de três processadores recentes

Intel Core i7

Produzido de 2008 até ao presente pela Intel

Características principais:

·         O novo soquete LGA 1366 não é compatível com processadores anteriores

·         O controlador de memória está diretamente ligado ao processador

·         64 KB de cache L1

·         256 KB de cache L2

·         8 MB de cache L3

·         731 Milhões de transístores

·         Sofisticados métodos de gestão de energia que permitem colocar um núcleo não utilizado em modo de energia zero.

O Intel core i7 faz parte de uma família de microprocessadores lançada pela Intel em 2008. É o sucessor do Intel Core 2.

AMD Phenom X4

Produzido pela AMD desde 2007 até ao presente

Características Principais :

·         Quatro núcleos AMD K10

·         128 KB de cache L1

·         512 KB de cache L2

·         2 MB de cache L3

O Phenom X4 foi o primeiro processador lançado pela AMD com a sua nova arquitetura K10. Faz parte da série Phenom, a mais nova série de processadores da AMD(o nome Phenom deriva da palavra phenomenal, que significa fenomenal).

Intel Core i3

Produzido pela Intel desde 2009 até ao presente.

Características Principais:

·         Dois núcleos de processamento

·         128 KB de cache  L1

·         512 KB de cache L2

·         4 MB de cache L3(Compartilhada por ambos os núcleos)

·         Tecnologia Intel Hyper-Threading, que possibilita realizar mais tarefas.

O Intel Core i3 faz parte de uma família de processadores lançada pela Intel em 2009. Foi criado no mesmo ano do Intel Core i5, no entanto o i3 tem menor poder de processamento quando comparado ao i5.