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Arquitetura de computadores

Arquitetura de Microprocessadores

Curso Profissional de Técnico de Gestão e Programação de Sistemas Informáticos

19/11/2016 Curso Profissional de Técnico de Eletrónica, Automação e Computadores

Construção

A base de um microprocessador é o silício.

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• É um material semicondutor. Pode comportar-se como um condutor ou isolador de corrente elétrica.

• Apresenta as mesmas funções que um interruptor (aberto ou fechado ).

• O silício pode ser encontrado na areia.


Construção

Como transformar areia num microprocessador?

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• A areia é purificada e derretida a altas temperaturas.

• O formato líquido enche um molde cilíndrico.

• Numa próxima fase são cortadas “fatias” deste cilindro. O resultado final tem o nome de Wafer.


Construção

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Extração do microprocessador do Wafer eposterior colocação no socket.


Construção

Como transformar areia num microprocessador?

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FORMAÇÃO DO LINGOTE DE SILÍCIO

P.S. Um lingote costuma pesar em média 100 kg


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• Um Wafer irá alojar centenas de microprocessadores, cada um com centenas de milhões de transístores.

• Os transístores vão ser implantados nos microprocessadores através da utilização de técnicas muito sofisticadas.


Construção

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• No processo final os transístores vão ser interligados por pistas de cobre muito finas que os tornam num circuito integrado.

• Os transístores são os responsáveis pela manipulação e armazenamento de informação.


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• O microprocessador vai ter de ser capaz de executar as mais diversas operações.

• No final do processo o microprocessador é cortado do Wafer e implantado num CHIP.

• Desta forma vai ficar com a apresentação que hoje em dia se conhece.


Construção

Transístores, pequenos componentes presentes em aparelhos eletrónicos.

Os transístores são os únicos componentes inteligentes na eletrónica (considerando apenas os de funções básicas).

A diferença entre eles e as resistências, condensadores e indutores, está na tarefa executada. Enquanto estes últimos manipulam a energia elétrica de forma simples, os transístores aproveitam-na para funcionar como interruptores e amplificadores.

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Construção

Transístores

Quando em conjunto, muitos transístores podem realizar tarefas complexas (execução de aplicações e jogos avançados).

Essa é uma razão para que existam em abundância nos processadores.

Os primeiros processadores já contavam com milhares de transístores, os mais evoluídos passaram para os milhões e os atuais chegam a bilhões.

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Construção

Transístores

A diminuição de tamanho é tão grande que nem sequer podemos ver a olho nu um transístor.

Alcançam a casa das dezenas de nanómetro, ou seja, muito mais fino que um fio de cabelo. No entanto, não é só pelo tamanho que adquirem importância mas principalmente pela função realizada.

Assim como os átomos são fundamentais para quaisquer seres vivos, os transístores são essenciais para o funcionamento dos processadores.

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Construção

Transístores

Outro aspeto importante, está relacionado com o formato. Enquanto um transístor comum, em geral, tem formato quadrado e três “pernas”, os transístores construídos com nanotecnologia perdem esta característica, parecendo-se muito mais com partículas.

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Construção

Diagrama dos circuitos

Antes de iniciar o processo de fabrico dos processadores, os projetistas e engenheiros criam o diagrama de circuitos.

Este diagrama é uma espécie de desenho que vai determinar que peça ficará em determinada posição dentro de um processador.

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Construção


O desenvolvimento do diagrama dos circuitos é efetuado em diversos locais de maneira colaborativa.

Nesta primeira etapa surge a arquitetura dos processadores.

Através de muita análise, os engenheiros decidem a quantidade de memória cache, os níveis de memória, a frequência e detalhes específicos quanto ao modo de utilização da memória cache.

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Construção


Intel® Atom™ Processor Z6xx SM35 Express Chipset: BlockDiagram

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Hardware

O CPU define, sem dúvida o desempenho do computador

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CPU

Fonte: INTEL

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CPU

• Um processador é, tipicamente, caracterizado da seguinte forma:fabricante, modelo e frequência de relógio.

ModelosAMD FX

Phenom e Phenom II

Athlon 64

Sempron

Turion 64

Opteron

Core 2 Duo

Core Duo

Atom

Core i7

Core i5

Core i3

Pentium 4

Pentium D e Pentium EE

Pentium M

Celeron

Xeon

Fonte: http://forum.clubedohardware.com.br/topic/386345-todos-os-modelos-de-processadores-atuais/

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Hardware

CPU (Central Processing Unit: Unidade de Processamento Central)

Características importantes associadas a um CPU:

Velocidade de relógio – corresponde à velocidade de

processamento no interior do CPU.

Largura dos canais de comunicação – corresponde à forma

como os diversos componentes do interior e exterior do CPU

estão interligados.

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CPU

CPU (Do Inglês- Central Processing Unit: Unidade de Processamento central)

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CPU

CPU ou Processador

ALU

Aquisição

Descodificação

ControloRegistos

As partes comuns são:

Secção de aquisição e descodificação de instruções: recebe instruções de

outros componentes para serem descodificadas de modo a que o CPU possa

determinar quais as operações a realizar. Na prática, indica qual o tipo de

instrução à unidade de controlo numa linguagem que possa entender.

Secção de execução: onde são processados os dados e instruções recebidas.

Unidade de Controlo (UC): controla ou determina as operações a executar a cada

instante, enviando os sinais apropriados aos outros componentes

Unidade de Aritmética Lógica (ALU): secção que efetua as operações aritméticas

(soma, subtrações, etc.) e lógicas (operações de comparação).

Registos: componentes (memórias) que armazenam temporariamente os dados com

que a ALU efetua as operações que lhe são indicadas.

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CPU

Outros elementos da estrutura interna são:

Unidade de memória cache interna: nos computadores atuais a

memória cache possui uma importância fundamental. É uma memória

rápida que armazena os dados mais requisitados pelo processador.

Unidade de Segmentação e Unidade de Paginação: esta unidade tem

como objetivo a conversão dos endereços lógicos, contidos nos

programas, em endereços físicos, consoante o tipo de gestão de

memória utilizada.

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CPU


Bus externo de dados (Data Bus): é o canal físico (“pistas”) de

comunicação de dados entre o interior e o exterior do CPU. O

número de pistas do bus externo de dados determina a

quantidade de informação que o CPU pode receber e enviar de

cada vez.

Muito conhecido como FSB – Front Side Bus – Barramento que

interliga o CPU e a memória RAM ( North Bridge ). Corresponde às

“pistas” de comunicação de dados entre o interior e exterior do

CPU.

Quanto maior o número de “pistas” mais quantidade de informação

o CPU pode mover de cada vez para a memória.

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PROCESSAMENTO

Front Side Bus – Corresponde ao barramento que faz a ligação da Unidade Central de Processamento à Northbridge da placa-mãe.

De uma forma menos técnica, representa a “velocidade externa do processador”.

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!


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Nota: A velocidade do processador pode ser de 2Ghzno entanto pode não ser possível acompanharcom o barramento.

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EX: Um automóvel pode ter um motor com 200Cv,no entanto com os limites de velocidade dasEstradas, nunca se tira rendimento do motor.

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FSB


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Curso Profissional de Técnico de Eletrónica, Automação e Computadores

NORTHBRIDGE e SOUTHBRIDGE

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O chipset é um chip responsável por controlaruma série de elementos da placa-mãe, comoacesso à memória, barramentos e outros.

Northbridge: geralmente requer um dissipador de calor, tendo em atenção que é muito requisitado.As tarefas são: controlar o FSB (front side bus, operações com a memória, barramento AGP, etc.

Southbridge: tem como funções controlar dispositivos de entrada e saída, como interfaces IDE ou SATA.


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CPU


Unidade de Pré-escolha: requisita à memória cache uma lista de

instruções a executar, armazenando-as internamente num dispositivo

próprio de memória, pronta a passá-las à unidade de descodificação.

Unidade de ligação com bus: permite ao processador comunicar com

os componentes exteriores através dos barramentos ( ligação física

entre os múltiplos componentes existentes numa placa de

computador).

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CPU


Bus externo de endereços (Adress Bus): são as linhas ou

pistas de comunicação externas através das quais o CPU

referencia e acede a endereços de memória, ou dispositivos de

Entrada/Saída ( E/S ).

O número de linhas deste barramento determina o número de

células de memória a que o processador pode aceder.

Só o CPU pesquisa por endereços de memória ou dispositivos

de E/S. Por essa razão é unidirecional.

EX: leitura e escrita na memória ou portas de E/S.

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CPU


Bus de controlo : responsável por sincronizar o fluxo de

informação no sistema.

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CPU CPU

BARRAMENTO DE DADOS

BARRAMENTO DE ENDEREÇOS

BARRAMENTO DE CONTROLO


CPU

BARRAMENTO ( BUS ) INTERNO

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Os registos internos do CPU são o tipode memória mais rápida acessível ao processador.

Recorre a estes registos para não terde guardar na memória RAM e desta forma, durante um cálculo possa aceder mais rapidamente a um valor.


CPU

BARRAMENTO ( BUS ) INTERNO

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EX: Para obter o resultado de 6 * ( 4 + 5 ) o processador realiza primeiro a soma e guarda o resultado nos registos.

O BUS interno interliga os diversos componentes existente no interior de um CPU. Tem a particularidade de funcionar à velocidade interna do CPU.


CPU

VELOCIDADE DE PROCESSAMENTO

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O número de transístores contidos no CHIP confereao processador a sua velocidade.

No entanto, como vamos ver mais à frente, a velocidade a que os dados são processados no exterior é assegurada pelo FSB, que como vamos ver é menor.

Existem pois duas velocidades distintas num computador.


CPU


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A velocidade do barramento de dados é fundamentalpara que o processador possa movimentar mais rapidamente a informação.

Tendo em atenção que os 64 bits vieram trazer algumas mudanças e neste momento já são utilizadas técnicas que

em vez de enviar dados em paralelo ( FSB ), os dados são enviados em série por barramentos dedicados que interligam os componentes ponto a ponto.

Desta forma não vão depender do barramento externo.


CPU


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As técnicas a que nos referimos são:

Hypertransport

Quickpath Interconnect

FAZ UMA PESQUISA SOBRE ESTAS TÉCNICAS PARA SEREM DISCUTIDOS NA AULA.


CPU

EXECUÇÃO DE UM PROGRAMA NA MEMÓRIA

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O CPU sabe que a primeira leitura que fará da memória contémo código da instrução ( operação aritmética ). Na posição seguinte contém os procedimentos para a operação indicada na posição anterior.

Quando termina a execução, saberá que na próxima posição da memória se encontra a próxima instrução a executar.


CPU

EXECUÇÃO DE UM PROGRAMA NA MEMÓRIA

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MEMÓRIA RAM

COMO DADOS E INSTRUÇÕES SÃO ENCAMINHADOS EM SÉRIE ESTA SOLUÇÃO TROUXE ALGUNS PROBLEMAS A NÍVEL DE VELOCIDADE.

A arquitetura de HARVARD tendo por base os barramentos de dados, endereços distintos, memória de programa e dados independentes, contribuiu de uma forma muito positiva para aperfeiçoar a arquitetura de von Neumann.

Fonte: Arquitetura de computadores, Areal Editores


CPU

EXECUÇÃO DE UM PROGRAMA

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ETAPAS DE EXECUÇÃO

Ciclo fetch-decode-execute



CPU


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DESCODIFICAÇÃO da instrução a executar. Identificação da operação a realizar.

FETCH ( PROCURA ) – Procura na unidade de memória da próxima instrução a ser executada.

OBTENÇÃO dos valores para a operação e carregamento nos registos internos.


CPU


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EXECUÇÃO DA TAREFA

ARMAZENAMENTO do resultado na memória ou em registosinternos do CPU.


CPU


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Estas etapas vão repetir-se para a próxima instrução.

É importante referir que nem todos os programas precisam de percorrer todos estes passos.

Este é um processo que engloba as ações realizadas por um processador.


CPU

COMPLEMENTO DE ARQUITETURA PADRÃO DE UM MICROPROCESSADOR

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Barramento de dados

IR SP PC R0 Rn

Barramento Endereços

Unidade de Descodificação____________

UC

BarramentoControlo



CPU

ARQUITETURA PADRÃO DO MICROPROCESSADOR

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PC – Program Counter ( Registo de Programa ) guarda o endereço da próxima instrução a ser lida na memória. Funciona como apontadorde posições da memória.

IR – Instruction Register ( Registo de Instruções ) guarda uma cópiada instrução que vai ser executada.

SP – Stack Pointer ( Apontador de pilha ) guarda a informação deretorno à rotina que estava a ser executada antes de uma interrupção.

R0…Rn – Registers ( Unidade de registos ) memórias internas que guardam temporariamente dados e resultados com que o CPU trabalha.


CPU

COMPLEMENTO DE ARQUITETURA PADRÃO DE UM MICROPROCESSADOR

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Barramento de dados

Acumulador

ALU

F

L

A

G

S

REGISTOTEMPORÁRIO Fonte: Arquitetura de computadores, Areal Editores


CPU

ARQUITETURA PADRÃO DO MICROPROCESSADOR

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Acumulador – Enquanto a ALU não tem outro valor carregado, o Acumulador serve de buffer ( área de memória temporária )

Flags – ( Registos de estado ) guardam o estado de cada resultado da ALU. Acontece em caso de overflow ( quando por exemplo numa operação em que se excede o limite previsto da ALU ( ex: 8 bits entre 0-255 ).

Registo Temporário – Armazena o resultado de uma operação da ALU na altura em que o barramento de dados está ocupado.


CPU

Acesso à Memória ( Ciclo fetch-decode-execute )

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EXEMPLO – Leitura de um conteúdo de memória



CPU

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O Program Counter (PC) contém o endereço K da memória onde se encontra

a instrução "mover o valor (conteúdo) do endereço L com conteúdo 23 da memória para o registo Ra"

O endereço a verde significa que está preenchido com endereço de memória K.

No endereço seguinte L está o valor de 23.

No final da execução este valor deve ser copiado para o registo interno Ra.

Acesso à Memória ( fetch )



CPU

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A UC coloca no barramento de endereços o conteúdo do PC ( K ).

Através do barramento de controlo envia um comando de leitura do conteúdo da

posição ( endereço ) K da memória.




CPU

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A memória responde com o conteúdo daposição de memória ( uma instrução ) e coloca-o no barramento de dados. De seguida vai para o processador.

A instrução é copiada para o IR.

O IR passa a conter a instrução a ser executada no momento.

O PC é incrementado de um valor e passa a apontar para o endereço L, que irá de seguida apontar para a próxima posição de memória. Esta nova posição contém o que vai ser retirado da memória. A fase FETCH ( PROCURA ) fica concluída.




CPU

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A unidade de descodificação recebe a instrução do IR . Descodifica-a e entrega à UC numa linguagem que compreenda.

Acesso à Memória (decode)

A UC verifica qual a operação que é necessário realizar e passa à fase de execução ( EXECUTE )



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A UC verifica que é necessário mover o conteúdo da posição L da memória para

o registo Ra.

Acesso à Memória (execute)

A UC vai voltar a usar o barramento de controlo para indicar que vai ler da memória.

A memória responde com o valor presente na posição da memória com o endereço L, colocando-o no barramento de dados que o levará até ao registo Ra. O PC é de novo incrementado para apontar para a próxima instrução ( M ).

A UC verifica qual a operação que é necessário realizar e passa à fase de execução ( EXECUTE )



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Para o exemplo temos em consideração o valor 7 do registo Rb.

Operações com a ALU

Aproveitando o registo RA com valor 23

Tendo por base uma instrução com uma soma Ra= Rb + Ra.

Supondo que o registo IR contém a instrução a executar e os registos Ra e Rb já estão carregados com valores 23 e 7, o próximo passo será colocar o valor do registo Ra no acumulador à entrada da ALU.



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Este registo vai ser necessário para realizar a função de buffer. Vai guardar o valor 23 até que o valor do registo Rb seja colocado na outra entrada da ALU.



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Quando as entradas da ALU tiverem carregado os valores, vai efetuar a soma e coloca num registo temporário. A operação origina umaa variável de estado chamada FLAGS.

Esta variável vai ser diferente tendo em atenção o valor devolvido pela ALU.



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Neste caso o resultado ficaria alterado.

Importante referir que o registo temporário serve de buffer.

Uma vez que o barramento de dados ainda está ocupado com o valor de Rb, caso não houvesse o buffer o resultado iria de novo para a ALU.

Quando o barramento ficar livre o resultado vai ser escrito no registo Ra.



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INTERRUPÇÕES

A sua função passa por guardar a informação de retorno à rotina que estava a ser executada antes da interrupção ter lugar, ou seja, o valor do PC (e por vezes também valores dos registos internos).

O CPU possui linhas de interrupção próprias que disponibiliza para atender interrupções provenientes de dispositivos exteriores. ( operação com teclado)

O Stack Pointer (SP ) é o responsável por guardar informação relativa às interrupções numa zona especial da memória denominada por Stack(pilha)



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INTERRUPÇÕES

EX: Vamos imaginar, como analogia, que precisa de chegar a um lugar muito alto. Para isso vai precisar de uma escada. Se precisar de fazer um furo, vai ser difícil carregar as ferramentas e ao mesmo tempo subir a escada em segurança. Se fizermos a relação com o nosso esquema, a rotina principal é realizar o furo a interrupção é lembrar que vai ter de subir a escada, com as ferramentas ao mesmo tempo

Podemos ver com esta fase que o PC fica livre para poder ser carregado com o endereço da rotina que gerou a interrupção.



CPU

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INTERRUPÇÕES

Continuando com a nossa analogia, para resolver o problema vamos ter de pedir que segurem as ferramentas ( STACK ), para podermos subir a escada (interrupção) em segurança.


Quando já estivermos no topo da escada, vamos pedir as ferramentas. ( Aceder ao STACK, onde está guardada a informação da rotina anterior) e vamos começar a fazer o furo na parede ( Program Counter – rotina anterior )


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ENUMERAR PASSOS

INTERRUPÇÕES

1. Conteúdo do registo PC ( endereço de memória ) é guardado no STACK


2. Guardar valores dos registos internos a serem utilizados na altura da interrupção ( no STACK )

3. O SP é incrementado para apontar para a próxima posição da pilha.


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ENUMERAR PASSOS

INTERRUPÇÕES

4. Atender a interrupção. O PC aponta para a zona de memória onde a execução acontece durante a interrupção.


5. Termina a interrupção. São recuperados os valores que os registos internos tinham antes da interrupção. O valor do PC e o apontador SP é decrementado.

6. É retomada a execução do programa interrompido.


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RESUMO

O CPU necessita de armazenar em memória:

• Instruções;

• Dados;

• Informação para retomar a execução de um programa que foi interrompido.

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