Baixe Capacidade de Processamento e Microprocessadores: Memória, Instruções, Velocidade e Cache e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity!
é usada para sistemas. Para os de maior porte, a unidade passou a ser o Mega-flops. A tendência é utilizar outros índices mais complexos. A capacidade de processamento é função direta do conjunto dessas características: Palavra, barramento (via ou bus), memória, velocidade do clock, capacidade (MIPS ou outro índice), e também de outros fatores como arquitetura do microprocessador, seu conjunto de instruções básica, arquitetura do Sistema e, em especial, como esse conjunto se comporta em cada tipo de aplicação. É comum durante a vida de um modelo de microprocessador que a sua velocidade seja aumentada com novos modelos; Um exemplo é o 8086, cujos primeiros modelos operam com um clock de 4,77 MHz e alguns anos depois vários fabricantes já o utilizavam com um clock de 8 MHz e depois de 10 MHz. A velocidade do microprocessador começa com o valor recomendado que é, na realidade, o valor mínimo garantido, pela estrutura de projeto do Chip. Com o passar do tempo, novos modelos aumentam esse valor; O 486 tem modelos de 16, 25, 33, 40, 50 e 66 MHz.
1.10 Interrupções
O barramento de controle forma juntamente com o barramento de dados e de endereço o conjunto de barramentos do microprocessador. O barramento de controle armazena uma miscelânea de sinais digitais com diversas finalidades. Alguns exemplos de sinais digitais desse barramento são:
Int: É uma entrada que serve para que dispositivos externos possam interromper o microprocessador para que seja realizada uma tarefa que não pode esperar. Como existe apenas uma entrada INT, o microprocessador opera em conjunto com um chip chamado Controlador de Interrupções. Esse chip é encarregado de receber requisições de interrupção de vários dispositivos e enviá-las ao microprocessador, de forma ordenada, através do sinal INT. NMI: É um sinal de interrupção especial para ser usado em emergências. Significa Interrupção não mascarável, ou seja, essa interrupção deve ser atendida imediatamente. Ao contrário do sinal INT, que pode ser ignorado pelo microprocessador durante pequenos intervalos de tempo, o sinal NMI é uma interrupção não mascarável. Nos PCs, o NMI é usado para informar erros de paridade na memória. INTA: Significa reconhecimento de interrupção (Interrupt Acknowledge). É utilizada para que o microprocessador indique que aceitou uma interrupção, e que está aguardando que o dispositivo que gerou a interrupção identifique-se, para que seja realizado o atendimento adequado.
1.11 Bits internos e externos Dentro de um microprocessador, existem vários circuitos que armazenam, transportam e processam dados. Nos microprocessadores 386 e 486, tais circuitos operam com 32 bits de cada vez. Quanto maior o número de bits internos de um microprocessador, mais veloz poderá realizar cálculos e processamento de instruções em geral. Abaixo são apresentados os limites de números inteiros positivos que podem ser manipulados com 8, 16 e 32 bits: 8 bits 0 a 255 16 bits 0 a 65. 32 bits 0 a 4.294.967.
Para que um microprocessador seja rápido, é preciso que ele seja capaz de manipular instruções em alta velocidade. Essas instruções são armazenadas na memória, e portanto, é preciso que a memória seja acessada em alta velocidade. Em conjunto com a execução de instruções, o microprocessador também lê e armazena dados na memória, o que é mais uma razão para que a memória seja rápida. A quantidade de bits que o microprocessador consegue transferir e recuperar da memória está diretamente relacionada com o número de bits externos. Por exemplo, o microprocessador 8088, usado nos primeiros PCs, operava internamente com 16 bits, e externamente com apenas 8. Já com o Pentium, ocorre o inverso: opera internamente com 32 bits e externamente com 64.
1.12 METODOLOGIA DE LINHA DE MONTAGEM OU PIPELINE
Ao descrever o funcionamento da UCP, na realização de seus ciclos de instrução observa-se que, embora o ciclo de instrução seja composto de várias etapas, ele é realizado basicamente de forma seqüencial, isto é, uma etapa se inicia após a conclusão da anterior. UCPs deste tipo vêm sendo usadas desde as primeiras gerações de computadores, e muitos aperfeiçoamentos tecnológicos foram introduzidos para reduzir o tempo de processamento de uma instrução, entre os quais o aumento tecnológico do relógio e a tecnologia de semicondutor, com seus sucessivos melhoramentos em fabricação e miniaturização. Uma outra metodologia, usada há muito tempo pelas fábricas de automóvel e por inúmeras outras indústrias, consiste em dividir o processo de fabricação em estágios independentes, que, por isso, podem se superpor uns aos outros, no tempo. Denomina-se linha de montagem ou pipeline. Em computação, a metodologia de construção da UCP composta de estágios permitiu que, também nestes sistemas, se adotasse esta técnica. A característica principal do processo de "pipelining" reside em duas premissas básicas:
a) a divisão do processo (seja o de fabricação de um automóvel, de uma TV ou ciclo de uma instrução na UCP) em estágios de realização independentes um do outro; e b) um novo produto inicia seu processo de fabricação ou execução depois de o anterior concluir seu processo.
Suponhamos que o processo de realização do ciclo de uma instrução seja dividido em dois estágios: o da leitura da instrução e o da execução da instrução lida. Para ler uma instrução, é necessário um acesso à memória, mas para executar a instrução nem sempre é necessário acessar a memória (na decodificação e na execução da operação não há acessos à memória). Portanto, é possível ler uma instrução, utilizando-se dos circuitos de um estágio, e transferir esta instrução para o estágio de execução. E, durante o período em que, neste estágio, não há atividade com a memória, pode-se ativar o estágio de leitura para buscar uma nova instrução e continuar o processo com novas instruções. Na realidade, pode não haver muita produtividade em um sistema destes ("pipelining" com 2 estágios), porque: a) o tempo de realização do estágio L não é igual ao do estágio E. Em geral, a execução consome mais tempo, devido principalmente à etapa de busca de operando. E, portanto, na maioria do tempo de execução (E) pode não ser possível haver outra busca de instrução.
prosseguem em paralelo, instrução por instrução, e assim temos fluxo múltiplo de instrução e fluxo múltiplo de dados. Outros sistemas multiprocessadores usam não apenas um barramento, mas vários para reduzir a carga. Outros usam ainda uma técnica chamada cache , que consiste em manter as palavras de memória freqüentemente referidas dentro de cada processador.
2.0 Categorias de Microprocessadores :
2.1 8086
Lançado pela Intel em 1978, o 8086 tinha um desempenho dez vezes melhor que seu antecessor o 8080. Seus registradores tinham a largura de 16 bits, o barramento de dados passou de 8 para 16 bits e o barramento de endereços se tornou maior com 20 bits de largura, permitindo assim que fosse controlado mais de 1 milhão de bytes de memória. A memória passou a ser tratada de maneira diferente pois esse processador tratava a mesma como se fosse dividida em até 16 segmentos contendo 64 kilobytes cada, e não permitia que nenhuma estrutura de dados ultrapassasse a barreira entre os segmentos.
2.2 8088
O 8088 surgiu da necessidade em se criar um processador com características parecidas com as do 8086 mas que tivesse um custo menor. Dessa forma, a Intel colocou no mercado um chip que só se diferenciava do 8086 pelo fato de Ter um barramento de dados de 8 bits. Em virtude de sua concepção menos avançada e do baixo custo de produção o 8088 foi escolhido pela IBM, para o projeto de seu computador pessoal, pois, além de possuir o projeto interno de 16 bits também pertencia à mesma linhagem do 8080.
2.3 80286
Comparado com seu antecessor imediato (o 8086), o 80286 apresentava diversas características particularmente adequadas aos computadores pessoais. Seu bus de dados possui 16 bits reais, o mesmo acontecendo com os registradores internos. E ainda foi projetado para trabalhar com maior velocidade, inicialmente 6 MHz, logo ampliados par 8 e, em seguida para 10. Com o tempo, versões deste microprocessador com velocidades de 12,5, 16 e até 20 MHz foram introduzidas pela Intel. Um dos aspectos mais importantes acabou sendo a maior capacidade de memória do 80286. Ao invés de 20 linhas de endereçamento, o 80286 possuía 24. As quatro linhas adicionais aumentam a quantidade máxima de memória que o chip é capaz de endereçar em 15 megabytes, elevando o total para 16 megabytes. O 80286 também permitia o uso da memória virtual. Que ao contrário do que se pensa, não se compõe de chips de memória. Ao contrário, as informações ficam armazenadas em outro meio de memória de massa, podendo ser transferidas para a memória física sempre que forem necessárias. Em conseqüência disso, o 80286 é capaz de controlar até 1 gigabyte (1024 Megabytes) de memória total, 16 megabytes físicos, e 1008 megabytes virtuais (Rosch (1993)). Para manter a compatibilidade com os chips mais antigos, os engenheiros da Intel dotaram o 80286 de dois modos operacionais. O Modo Real reproduzia quase que exatamente o esquema de operação do 8086. A cópia foi tão perfeita que o modo real herdou todas as limitações do 8086, inclusive a barreira de 1 megabyte de memória. Essa restrição era obrigatória para que o 80286 identificasse os endereços de memória da mesma maneira que o 8086. Para tirar partido dos maiores recursos do tratamento de memória da arquitetura 286, foi criado o Modo Protegido. Embora não fosse compatível com os programas existentes para o 8086, o modo protegido permitia o uso de todos os 16
Proteção de Memória : como o processador acessa muita a memória, podemos carregar diversos programas simultaneamente. Através da proteção da memória, o processador é capaz de isolar cada programa em uma área de memória bem definida, de modo que um programa não invada a área de memória que esteja sendo utilizada por outro programa. Multitarefa : graças à proteção de memória, o processador é capaz de saber exatamente onde se encontra cada programa carregado na memória. Dessa forma, ele pode executar automaticamente uma instrução de cada programa, parecendo que os programas estão sendo executados simultaneamente. Modo Virtual 8086 : o modo protegido é, a rigor, incompatível com o modo real. Como poderíamos executar programas de modo real em modo protegido? Através do modo virtual 8086, o processador pode trabalhar como se fosse vários processadores 8086 com 1 MB de memória (ou seja, um XT) simultaneamente. isso significa que você pode ter, ao mesmo tempo, um ou mais programas de modo real rodando dentro do modo protegido simultaneamente, cada programa achando que está trabalhando em um processador 8086 “puro” e completamente “limpo”.
O encaixe o processador 80386SX tem um packaging inteiramente diferente do 80286, e os dois chips não se encaixam no mesmo soquete. Com isso, alguns PCs utilizaram uma placa adaptadora com circuitos auxiliares de multiplexação para poder fazer com que o 80386SX se encaixe no soquete de um 80286. Além da Intel, vários outros fabricantes produziram microprocessadores 386SX e 386DX. O principal deles foi a AMD. Foram lançadas versões de 16, 20, 25, 33 e 40 MHz. “A velocidade desses processadores se originou-se de um funcionamento de 16 MHz, embora a primeira possibilidade tenha sido solenemente esnobada pelos projetistas de computadores, para as quais a velocidade nunca é suficiente. Logo após, uma versão de 20 MHz foi colocada no mercado. Em 1988, o limite chegou aos 25 MHz, e logo depois passou para 33 MHz. Atualmente, algumas empresas produzem chips que operam a 40 a 50 MHz.” [ROS93] A Intel lançou o 80386SX como irmão menor do 80386. Internamente, o 80386SX é praticamente idêntico as 80386, com registradores de 32 bits reais e todos os mesmos modos operacionais. Apenas uma diferença significativa separam o 80386 do 80386SX. Em vez de interfacear com um bus de memória de 32 bits, o 80386SX foi projetado para um bus de 16 bits. Seus registradores de 32 bits têm que ser preenchidos e duas etapas a partir de um canal de I/O de 16 bits. Com isso, o 386SX é mais barato para o fabricante, embora no mercado daquela época o seu preço não era tão baixo. Sempre que citarmos o processador 80386, estamos nos referindo ao modelo 80386DX que o seu sufixo significa “double word” (32 bits), ao contrário do modelo anterior SX representando “single word” (16 bits)
Fig. 2.2: Processador 80386SX, um 80386 de baixo custo. 2.5 80486
O processador 80486 foi o sucessor para aplicações mais “pesadas”, sendo possível encontra-lo nos PCs no ano de 1991. Com uma versão inicial que operava com um clock de 25 MHz. Dessa maneira, a Intel criou o 486 que na realidade supera muito o desempenho de um 80386DX-25 em duas vezes, apesar de ter apenas seis instruções a mais, mas para que esse desempenho fosse justificado, o processador foi incorporado com circuitos em seu interior como:
Coprocessador matemático; Memória cache interna de 8 KB.
Estando integrados diretamente dentro do microprocessador, esses componentes fizeram com que o desempenho geral do PC subisse muito - um circuito externo é mais lento, pois os dados demoram a ir e vir na placa de circuito impresso. “O cache de memória, a partir do 80486 passou a possuir dois caches de memória; um dentro do processador, chamado cache de memória interno de 8 KB; e um na placa-mãe do micro, chamado de cache de memória externo que hoje varia na ordem de 256 KB e 512 KB.” [TOR98]
Fig. 2.3: Microprocessador 80486
O processador mais barato da família é o 80486SX, disponíveis nas versões de 25 e 33 MHz seguindo a mesma linha que seu processador antecessor. Este microprocessador é uma versão de custo mais acessível, sendo assim, não era dotado do coprocessador matemático interno. Para não haver confusão e manter a padronização, foram usados os mesmos diferenciadores, “DX” para a versão “standard” e “SX” para a versão “econômica”, que não tinha coprocessador matemático interno. Portanto, quando citamos a nomenclatura “80486” estamos nos referindo ao 80486DX trabalhando a 32 bits. Um usuário interessado em acrescentar um coprocessador matemático ao 486SX poderia perfeitamente fazê-lo. Bastava adquirir um 487SX, que para todos os efeitos, era o “coprocessador aritmético” do 486SX. As placas de CPU baseadas no 486SX em geral possuíam um soquete pronto para a instalação deste chip. Entretanto, este tipo de instalação não era nada vantajosa do ponto de vista financeiro. Era mais barato adquirir uma placa de CPU equipada com o 486DX. O 486SX tanto foi considerado um erro, que os concorrentes da Intel (AMD e Cyrix) não lançaram microprocessadores equivalentes. Surgiram o:
80486DX-50 ou 80486DX2; que se estabeleceu pelo aumento da freqüência de operação em que o processador é capaz de trabalhar, ou seja, 50 MHz processador resultante da multiplicação do clock, que trabalha internamente com o dobro da freqüência de operação da placa-mãe, ou seja, ele multiplica a freqüência de operação da placa-mãe por 2. Acarretando problemas com as suscetíveis
esquema de multiplicação de clock desse processador (triplicação de clock). Tem um cache de memória interno de 16 KB e é alimentado por 3,5 V. Esse processador é um 486DX4 “turbinado”.
2.6 PENTIUM
Pentium (Chipset P54c)
Também chamada de Pentium Classic, o Pentium é o primeiro microprocessador considerado de 5ª geração. Fabricado pela Intel, foi lançado em 1993, nas versões de 60 e 66 MHz. Os microprocessadores Pentium contêm mais de três milhões de transistores e já incluem co-processador matemático e memória cache. Operava com 5 volts, e apresentava muito aquecimento, mas com melhorias no projeto, a Intel permitiu a operação com 3,5 volts, resultando num aquecimento bem menor. Novas versões foram lançadas como a de 75, 90, 100, 120, 133, 155, 166 e 200 MHz. O Pentium é um microprocessador de 32 bits, mas com várias características de 64 bits. Por exemplo: o seu barramento de dados, que dá acesso a memória é feito a 64 bits por vez, o que significa uma maior velocidade, ele transporta simultaneamente dois dados de 32 bits. Ao inverso do 486 que era de 32 bits por vez. A freqüência de operação da placa mãe é a seguinte:
Processador Freqüência de Operação Placa-mãe Pentium 75 MHz 50 MHz Pentium 60, 90, 120,155 MHz 60 MHz Pentium 60, 100, 133, 166 e 200 MHz 66 MHz Tab. 2 2: Freqüência da Placa Mãe
A memória cache interna do Pentium(L1) é de 16 KB, sendo dividida em duas, uma de 8 KB para armazenamento de dados e outra de 8 KB para instruções. A arquitetura é superescalar em dupla canalização, ou seja o Pentium funciona internamente como se fosse dois processadores 486, trabalhando em paralelo. Dessa forma, ele é capaz de processar (2)duas instruções simultaneamente. Os processadores Pentium pode trabalhar em placas-mãe com mais de um processador diretamente, utilizando como conexão o soquete 7.
Pentium Pró (P6)
O Pentium Pro foi criado para ser o sucessor do Pentium, sendo considerado como sexta geração. Inicialmente foi lançado nas versões 150, 180 e 200 MHz. Opera com 32 bits e utiliza memória de 64 bits, da mesma forma como ocorre com o Pentium. Seu projeto foi otimizado para realizar processamento de 32 bits, sendo neste tipo de aplicação mais rápido que o Pentium comum, só que ao realizar processamento de 16 bits perde para o Pentium comum. O Pentium Pro possui uma memória cache secundária dentro do próprio processador. Com isso, aumenta-se o desempenho do processador, ou seja, a freqüência usada será a mesma de operação interna do processador. A arquitetura do Pentium Pro é superescalar em tripla canalização, é capaz de executar (3)três instruções simultaneamente.
O núcleo do Pentium Pro é RISC, só que para ele ser compatível com programas existentes, foi adicionado um decodificador CISC na sua entrada. Dessa forma, ele aceita programa CISC, porém os processa em seu núcleo RISC. O Processador do Pentium Pro pode ser utilizado em placas-mãe com dois ou quatro processadores. Para seu melhor desempenho é usado quantidades elevadas de memória, fazendo que seu uso fosse direcionado para servidores, ao invés de computadores domésticos ou de escritórios. A conexão utilizada pelo processador é chamada de soquete 8. Esse soquete é bem maior que o soquete 7 utilizado no Pentium Clássico(Pentium Comum).
Pentium MMX (P55c)
Versões: 166 MMX, 200 MMX, 233 MMX MHz; Visando aumentar o desempenho de programas que fazem processamento de gráficos, imagens e sons, a Intel adicionou ao microprocessador Pentium, 57 novas instruções específicas para a execução rápida deste tipo de processamento, elas são chamadas de instruções MMX (MMX= Multimedia Extensions). Uma única instrução MMX realiza o processamento equivalente ao de várias instruções comuns. Essas instruções realizam cálculos que aparecem nos processamentos de sons e imagens. As instruções MMX não aumenta a velocidade de execução dos programas, mas possibilita que os fabricante de software criem novos programas, aproveitando este recurso para que o processamento de áudio e vídeo fique mais rápido. Segundo testes( INFO/Fev/97), o ganho de velocidade nessas operações pode chegar a 400%. O Pentium MMX possui uma memória cache interna de 32 KB e trabalha com níveis duplos de voltagem: externamente a 3,3 volts enquanto o núcleo do processador opera a 2,8 volts. A conexão é feita através do Soquete 7, ou seja, possui o mesmo conjunto de sinais digitais que o Pentium comum. A freqüência de operação na placa mãe é de 66 MHz.
Pentium II (i440Bx)
Sucessor do Pentium MMX, com velocidades de 300, 333, 350, 400 MHz. Possui barramento de 100 MHz, e é encapsulado em um envólucro(cartucho) que engloba o processador e a cache externa(L2), este envólucro metálico facilita a dissipação do calor. A memória cache primária(L1) continua sendo 32 KB igual ao Pentium MMX, sendo que a memória secundária(L2) não está mais dentro do processador e sim no próprio cartucho, ao lado do processador. O Pentium II permite o multiprocessamento de dois processadores. Sua conexão na placa-mãe é feita através do seu conector próprio, chamado de slot 1.
CELERON
Celeron 233, 266, 300, 330 MHz A Intel lançou em abril/98, uma versão especial do Pentium II, chamada de Celeron. Este processador pode ser instalado nas mesmas placas de CPU projetadas para o Pentium II. Nas suas primeiras versões, operava com clock externo de 233 MHz, e clock interno de 66 MHz, e não possuía memória cache secundária(cache de nível 2). Com isto o processador tinha o preço baixo em relação aos concorrentes. O encapsulamento usado em todos os processadores Celeron e do tipo SEPP (Single Edge
