microprocessadores ii arquitetura

Microprocessadores IIMicroprocessadores IIProfessor: Mauro Jansen

Histórico, conceitos, características e Arquitetura

05/05/2015

Conteúdo programático

� Histórico de microprocessadores� Conceitos básicos� Caracterização� Arquitetura

Prof. MauroMicroprocessadores II

Arquitetura 2

� Arquitetura� Pinagem e soquetes


Arquitetura 3

Início: “computadores” mecânicos

� Século 13 AC: invenção do Ábaco pelos babilônios

•Primeiro instrumento a permitir executar todas as operações aritméticas•Foi muito usado para cálculos no


Arquitetura 4

•Foi muito usado para cálculos no séculoXVII e ainda é usado até hoje.

•SOROBAN:•O Soroban é uma versão do ábacus Chinês, com uma quantidade menor decontas.

Início: “computadores” mecânicos

� Octograma Chinês Yin Yang:� Criado pelo imperador chinês Fou-Hi, é a

primeira representação conhecida de números binários de 0 a 7.

� 1642: Máquina de calcular de Blaise


Arquitetura 5

� 1642: Máquina de calcular de Blaise Pascal (cientista francês)� Rodas e engrenagens� Operações: adição e subtração� Algarismos de 0 a 9 – cada roda

representava uma coluna decimal� Primeira máquina de calcular a ser

comercializada

Início: “computadores” mecânicos� 1801: Máquina de tear / Cartão

perfurado� Joseph Marie Jacquard (tecelão francês)� Memorizava desenhos em cartões

perfurados e os reproduzia� Operações: adição e subtração� Primeiro registro de programação


Arquitetura 6

� Primeiro registro de programação semelhante à do computador moderno

� 1833: Máquina analítica� Charles Babbage (inglês) – pai do

computador moderno� Primeiro projeto de um computador de

propósito geral (não construído)� Adição, mutiplicação, instruções

condicionais e de desvio

Computadores eletromecânicos� 1936: Z1 – baseado em relé (Konrad Zuse -

alemão)� Z3: 1º computador de propósito geral controlado por

programa� Z4: usado em projeto de mísseis1943: Colosso (Alan Turing). 2000 válvulas e


Arquitetura 7

� 1943: Colosso (Alan Turing). 2000 válvulas e máquina de leitura de fita perfurada.� Decodificação de mensagens dos Alemãos

� 1944: Mark I – (Howard Aiken) (EUA)� Válvulas, fios e interruptores� Usado pela marinha americana em cálculo de balística

Curiosidades

� Primeira programadora da história: Augusta Ada Byron (condessa de Lovelace), filha do poeta Lorde Byron� Formada em matemática, trabalhou com Charles

Babbage


Arquitetura 8

Babbage� 1979: Linguagem ADA criada em sua homenagem

� Bug (besouro): sinônimo de tudo que prejudique o bom funcionamento de um programa� Em 1945 um besouro ficou preso nas engrenagens do

Mark I, fazendo a máquina parar

Computadores a válvula

� 1946: Eniac� 18.000 válvulas, 30 tonelada� Projeto da bomba “H”

� 1950: UNIVAC (Universal Automatic Computer)1º computador de aplicações científicas e comerciais


Arquitetura 9

� 1º computador de aplicações científicas e comerciais� UNIVAC II e UNIVAC 1100 series

� 1953: IBM 701� Aplicações científicas

Depois da válvula

� 1960: computadores transistorizados (apesar do transistor ter sido inventado desde 1947)� IBM 7090, 7094. Linguagens Fortran, Cobol, Basic

� 1958: circuito integrado (Jack Kilby, Texas Instruments)


Arquitetura 10

Instruments)� Resistores e capacitores num mesmo pedaço de

material semicondutor� 1964: IBM 360 – 1ª família de computadores

planejada� DEC PDP 8: minicomputador, estrutura de barramento

Microprocessadores� 1971: 4004 (Intel)

� 1º microprocessador criado; 4 bits; BCD� Aplicação voltada para calculadoras� 45 instruções; 605B; 108KHz; 2.300 transistores

� 1972: 8008 (Intel)


Arquitetura 11

� 1972: 8008 (Intel)� 1º microprocessador de 8 bits� Aplicação voltada para terminais; ASCII� 48 instruções; 16KB; 200KHz; 3.500 transistores

� 1974: 8080 (Intel)� 8 bits; propósito geral� 72 instruções; 64KB; 2MHz; 6.000 transistores

Microprocessadores

� 1975-1977� Z80 (Zilog)� 6502 (MOS Technology)

� Computador Apple 1 (Steve Wozniac e Steve Jobs)


Arquitetura 12

� Criação da Microsoft

Micro CP300 (Z80) Micro Apple II (6502)(1977) US$ 1.195

Micro Apple I (6502)

Microprocessadores� 1976: 8085 (Intel)

� 8 bits; propósito geral� 74 instruções; 5MHz; 6.500 transistores

� 1978: 8086 (Intel)� 16 bits (interno e externo); 5, 8 e 10MHz; 29.000 transistores

� 1979: 8088 (Intel)16 bits (interno; 8 bits externo); usado no 1º PC (PC/XT)


Arquitetura 13

� 16 bits (interno; 8 bits externo); usado no 1º PC (PC/XT)� 133 instr.; 29.000 transistores

� 1980: co-processador matemático 8087� Microcontrolador 8051 (Intel)

� 1982: 80186/188; 80286; PC/AT� 1985: 80386. 32 bits; 16,20,25 e 33MHz; 275.000

transistores

Tabela resumo da evolução


Arquitetura 14

Tabela resumo da evolução


Arquitetura 15


Arquitetura 16

Memória

� Local de armazenamento de informações binárias

� Podem ser circuitos semicondutores, mídias magnéticas, óticas, etc.Cada posição de memória é identificada


Arquitetura 17

� Cada posição de memória é identificada por um ENDEREÇO

� Endereçamento é o ato de acessar um dado em uma posição de memória (para isso precisamos especificar o endereço)

Memória

Endereço Conteúdo

0000h 00

0001h EB

Exemplo de bloco de memória com 64K posições (64KB)


Arquitetura 18

0001h EB

0002h 29

...

FFFFh 00O conteúdo de cada posição de memória pode ser um dado(numérico ou caractere) ou uma instrução

Palavra (word)� Unidade de informação natural usada por um

computador particular� Grupo de N bits de tamanho fixo que é

processado em conjunto pela CPU� A quantidade de bits da palavra depende da

arquitetura do computador


Arquitetura 19

arquitetura do computador� O barramentos de dados normalmente é do tamanho

de uma palavra ou meia palavra� Um endereço de memória normalmente referencia

uma palavra� Exemplos: palavra de 8 bits, 16 bits, 64 bits, 128

bits

Registradores

� Memórias internas do microprocessador que registram apenas uma informação binária por vez� Podem ser de 8 bits (1 byte), 16 bits (2 bytes),


Arquitetura 20

Podem ser de 8 bits (1 byte), 16 bits (2 bytes), 32 bits (4 bytes), 64 bits (8 bytes) ou 128 bits (16 bytes)

� São memórias voláteis (perdem o conteúdo quando desenergizadas)

� Exemplos: acumulador, registrador X, Y, etc.

Barramentos� São linhas ou canais de comunicação de dados

entre os dispositivos (microprocessador, chipsets, memória e outros periféricos)

� Também chamados de “bus”� Em comparação com o transporte terrestre

seriam as ruas, estradas e rodovias que


Arquitetura 21

seriam as ruas, estradas e rodovias que interligam as localidades

� Os barramentos têm algumas características importantes para sabermos sua performance e compatibilidade com dispositivos:� Tamanho ou largura (medida em bits)� Velocidade (medida em Hz - MHz)

Barramentos� Barramentos do sistema

� Barramentos do processador (de dados, endereços e controle)

� Barramento de memória� Barramento de cache

Barramento frontal (FSB) – liga CPU à ponte norte


Arquitetura 22

� Barramento frontal (FSB) – liga CPU à ponte norte� Barramentos de E/S (entrada / saída)

� Estão associados a alguma INTERFACE ou PORTA (interna ou externa) que permite ligar uma unidade de entrada e/ou saída

� Cada porta está vinculada a um endereço ou faixa única de endereços

Pilha

� É uma área de memória usada para guardar dados temporariamente, normalmente oriundos de registradores, sem nos preocuparmos com endereços de memória

� De forma similar a uma pilha de livros, o último


Arquitetura 23

� De forma similar a uma pilha de livros, o último dado a ser colocado na pilha será o primeiro a sair

103 Dado 4

102 Dado 3

101 Dado 2

100 Dado 1

Endereços da pilha

Interrupções

� São eventos que fazem o processador parar a execução do programa corrente e desviar a execução para um bloco de código chamado rotina de interrupção


Arquitetura 24

� Podem ser ocasionadas por:� Pedido interno (interrupções de software)� Pedido externo (interrupções de hardware)

Instruções

� Instrução é um comando a ser executado pelo microprocessador

� Cada microprocessador tem um conjunto de instruções (comandos da linguagem de máquina) particular


Arquitetura 25

máquina) particular� As instruções normalmente são Mnemônicos (siglas que lembram uma ação, em inglês)� Ex: LDA (LoaD Acumulator), MOV (MOVe), ADC (Add with Carry), etc.


Arquitetura 26

Microprocessador x Microcontrolador

� Microprocessador� É a CPU de um computador ou dispositivo microprocessado,

construída num único circuito integrado� Contém Unidade de Controle, Unidade Lógica e Aritmética e

registradores� Precisa de periféricos externos tais como memória e unidades de


Arquitetura 27

� Precisa de periféricos externos tais como memória e unidades de entrada e saída para compor um sistema funcional mínimo

Microprocessador x Microcontrolador

� Microcontrolador� Computador completo construído num único Circuito Integrado.� Custo mais baixo; menor desempenho; voltado para aplicações

específicas (dimensões reduzidas, baixo custo e consumo)� Contém portas seriais, portas de entrada e saída, paralelas,

timers, controles de interrupção, memória RAM e ROM


Arquitetura 28

timers, controles de interrupção, memória RAM e ROM

Funções do microprocessador

� Busca e execução de instruções existentes na memória

� Leitura (de instruções e dados) da memória


Arquitetura 29

memória� Gravação de dados na memória� Comunicação com o mundo exterior (entrada e saída – E/S)

Número de bits

� Número de bits internos:� É definido pela quantidade máxima de bits dos registradores internos do microprocessador

� Daí vem a terminologia microprocessador de 8, 16, 32, 64 bits


Arquitetura 30

16, 32, 64 bits� Número de bits externos:

� É definido pela largura do barramento de dados

� Geralmente é igual ao número de bits internos, mas nem sempre isso ocorre

Capacidade de endereçamento

� É tamanho máximo tamanho que pode ter a memória, ou, seja, o número máximo de células de memória que um microprocessador consegue acessar


Arquitetura 31

� Depende do tamanho do barramento de endereços

� Capacidade = 2N

� (N: número de bits no barramento de endereços)

Clock

� Define a frequência de operação do microprocessador� Medida em Hz (Hertz)

� Está relacionado com o número de


Arquitetura 32

� Está relacionado com o número de instruções que podem ser executadas a cada segundo

� Cada instrução é executada em N ciclos do clock

Memória cache

� Pequena quantidade de memória usada para acelerar a leitura de dados da memória RAM

� Memória de alta velocidade e alto custo


Arquitetura 33

� Memória de alta velocidade e alto custo� Tipos:

� Cache interno ou L1 (nível 1) ou primário� Cache externo ou L2 (nível 2) ou secundário

Memória cache

� Um circuito especial (controlador de cache) efetua a leitura da memória RAM e coloca-os na memória cache

� O microprocessador obtém os dados


Arquitetura 34

� O microprocessador obtém os dados diretamente do cache e, enquanto isso, o controlador de cache já está lendo outros dados da RAM

Índice de desempenho� O desempenho (velocidade de processamento) de um

microprocessador depende de:� Velocidade do clock� Número interno de bits� Número externo de bits

Número de ciclos necessários para executar cada instrução


Arquitetura 35

� Número de ciclos necessários para executar cada instrução� Capacidade e velocidade da memória cache� Execução de instruções em paralelo

� Unidades de medida:� MIPS: Milhões de instruções por segundo� FLOPS: Instruções em ponto flutuante por segundo

Conjunto de instruções de máquina� É o conjunto de valores binários que foram

codificados para representar todas as operações que a CPU executa

� Cada instrução ocupa um ou mais bytes e tem duas partes principais:� Código da operação: identifica a operação a ser


Arquitetura 36

� Código da operação: identifica a operação a ser realizada

� Operandos ou endereços: contém valores ou endereços dos dados que serão usados nas operações

� São comandos simples como operações lógicas e aritméticas, de leitura, gravação comparação e movimentação de dados

Exemplos de aplicações� Os microprocessadores e microcontroladores

podem ser aplicados em:� Microcomputadores� Calculadoras� Relógios digitais� Controle de fornos microondas


Arquitetura 37

� Controle de fornos microondas� Lavadora de roupas� Vídeo game e outros brinquedos� Controle de motores� Controle de tráfego� Alarmes e sistemas de segurança� Telefone celular


Arquitetura 38

Diagrama de um sistema microprocessado


Arquitetura 39

Registradores

Arquitetura interna


Arquitetura 40

Arquitetura interna - elementos� Unidade Aritmético-Lógica (ULA)� Contador de Instruções (CI) ou Program Counter

(PC) � Registradores de uso geral

� De dados: Acumulador (AC) e outros registradores de


Arquitetura 41

� De dados: Acumulador (AC) e outros registradores de dados (A,B,etc)

� De índices (X,Y,etc.)� Ponteiro de Pilha ou Stack Pointer (SP)� Registrador de status (Status Flags), ou

sinalizadores� Decodificador de instruções

Elementos internos� Unidade Lógica e Aritmética (ULA): executa

as operações aritméticas e lógicas, em conjunto com o AC e outros registros� A multiplicação ou divisão geralmente é efetuada por

circuitos (hardware) ou rotinas (software) adicionaisContador de instrução (CI) ou Program


Arquitetura 42

� Contador de instrução (CI) ou Program Counter (PC): registrador que contém o endereço de memória da próxima instrução de máquina que será executada� Não deve ser alterado pelo usuário; a própria CPU

muda o endereço automaticamente após executar cada instrução

Elementos internos

� Acumulador (AC): principal registrador de dados; é muito usado para receber dados da memória que serão tratados por instruções de adição, subtração, deslocamento, movimentação

� Registradores de dados: Registradores que


Arquitetura 43

� Registradores de dados: Registradores que servem para auxiliar a manipulação de dados pelo acumulador ou como contadores. Em geral não são usados em operações lógicas ou aritméticas� Exemplos: X, Y, A, B

Elementos internos

� Registradores de índices: são usados na formação do endereço de memória final (endereçamento indexado), contendo parte do endereço (índice). Também são usados em operações de movimentação ou


Arquitetura 44

em operações de movimentação ou contagem

Elementos internos

� Ponteiro de pilha ou Stack Pointer (SP): registrador que aponta para o dado atual na pilha

� Decodificador: parte do


Arquitetura 45

� Decodificador: parte do microprocessador que recebe os bits de código de operação da instrução, identifica a instrução a ser executada e aciona a execução dessa instrução

Elementos internos� Registrador de status (Status flags): registrador

onde cada um dos seus bits (chamados de FLAGS) indica o estado ou condição de um fenômeno ocorrido na última instrução executada. Os mais comuns são:� Carry (C): indica se ocorreu ou não um “vai um”� Overflow (O): indica se ocorreu ou não o transbordo na última

operação


Arquitetura 46

operação� Zero (Z): indica se o valor obtido é zero� Parity (P) ou Paridade: indica se o valor obtido é par (Even)

ou ímpar (Odd)� Decimal (D): indica se o modo decimal (em que as operações

são executadas em BCD) está ativo� Signal (S) ou Negative (N): indica se o resultado obtido é

negativo (bit 7 = 1) ou positivo (bit 7 = 0)

Arquitetura interna (visão prática)

Registradores

De dados AC/A,B,C,etc

De índice X,Y,etc

Registro de Status

SP 0100

Memória RAM

Endereço Conteúdo

0000h 00

0001h EB

0002h 29

...

0100h 00

Microprocessador


Arquitetura 47

PC 0300

Registro de Status

C O Z P S . . .

0100h 00

0101h 00

...

0300h

0301h

...

Área da pilha

Área doprograma

Arquitetura externa

� Memória� Pilha� Cache externo

� BarramentosDe dados


Arquitetura 48

� De dados� De endereços� De controle

� Clock� Dispositivos de entrada e saída (E/S)

Memória

� A memória é usada para armazenar DADOS e PROGRAMAS

� Alguns endereços de memória podem dar acesso a dispositivos de E/S (ex: vídeo, impressora, etc)A memória pode ser dividida em páginas ou


Arquitetura 49

� A memória pode ser dividida em páginas ou segmentos

� Pilha ou stack: porção variável da memória cujo endereço está acessível através do registro Ponteiro de pilha ou Stack Pointer (SP). Usada para guardar valores temporariamente

Barramentos

(Unidirecional)


Arquitetura 50

R=Read W=Write

M=Memória

IO=Entrada/Saída

(Bidirecional)

Barramento de controle

Barramentos

� Barramento de dados: barramento através do qual trafegam os dados que são enviados ou recebidos pelo microprocessador� É bidirecional� Cada bit equivale a um pino do microprocessador


Arquitetura 51

� Cada bit equivale a um pino do microprocessador� A quantidade de pinos define a quantidade de bits

externa do microprocessador (8, 16, 32, 64,...) ou quantos bits podem ser transferidos de uma só vez

Barramentos

� Barramento de endereços: serve para o microprocessador especificar qual a posição de memória a ser acessada ou qual dispositivo de E/S a ser ativado� O tamanho do barramento define a quantidade


Arquitetura 52

� O tamanho do barramento define a quantidade máxima de memória endereçável diretamente:

Qtd.bits no Barram.endereços

Capacidade de endereçamento

8 256 bytes

16 64 KB

24 16 MB

32 4 GB

Barramentos� Barramento de controle: usado para controlar o

acesso e a utilização das linhas de dados e de endereços, visto que elas são compartilhadas por todos os componentes.

� Exemplos de sinais de controle:� Escrita/leitura na memória (RW): habilita a leitura ou escrita na

memória


Arquitetura 53

memória� Requisição de porta E/S (IO)� Confirmação de transferência (ACK)� Requisição / concessão de barramento� Requisição de interrupção (INT)� Confirmação de interrupção (INT ACK)� Relógio (CLOCK): utilizado p/ temporização de operações� Inicialização (RESET): inicializa todos os módulos do sistema

Clock

� Gerador de pulsos que sincroniza a execução de operações do microprocessador

� Unidade: Hz (MHz, GHz)


Arquitetura 54

� Unidade: Hz (MHz, GHz)� Ex.: Os microprocessadores 8086/8088 operavam com clock de 5 a 10 MHz� 5 MHz = 5 milhões de pulsos por segundo e não 5 milhões de instruções por segundo

Clock


Arquitetura 55

Cristal e CI gerador de frequêncianuma placa mãe

Execução de instruções


Arquitetura 56


Arquitetura 57

Considerações iniciais

� Na maioria dos microprocessadores, os pinos de dados são multiplexados com os de endereços� Eles nunca são necessários simultaneamente� Quantidade de pinos afeta o grau de dificuldade de

encapsulamento (e o custo)


Arquitetura 58

encapsulamento (e o custo)

� Apesar de existir pinos com mais de uma função, a quantidade de pinos ainda é grande� Com o passar do tempo foram criados vários tipos de

encapsulamento

� A maior parte dos pinos são pinos de endereço

Fabricação e mercado

� O encapsulamento é encontrado em dois materiais:� Plástico� Cerâmica


Arquitetura 59

Cerâmica

� A pinagem é de metal. Em alguns modelos os pinos eram banhados a outro

� No mercado, a pinagem é relacionada ao socket (soquete)� A placa mãe e CPU devem ter mesmo socket

Encapsulamento DIP

� DIP: Dual In-line Package (Duas linhas de pinos laterais)

� Ex.: Intel 8088


Arquitetura 60

Encapsulamento PLCC

� PLCC: Plastic Leaded Chip Carrier� Encapsulamento plástico com terminais dos

quatro lados do chip, normalmente dobrados p/ baixo, para uso em soqueteMais comum em ROM BIOS e microcontroladores


Arquitetura 61

� Mais comum em ROM BIOS e microcontroladores

Encapsulamento QFP ou SMD

� QFD: Quad Flat Package (encapsulamento quadrado)

� Similar ao PLCC, só que para soldagem SMD (Surface Mountage Devices)


Arquitetura 62

SMD (Surface Mountage Devices)

Encapsulamentos PGA e BGA

� PGA: Pin Grid Array (matriz de pinos)� BGA: Ball Grid Array (matriz de bolas)� Pinos (ou bolas) saem por baixo do chip� Numeração de pinos por linhas e colunas


Arquitetura 63

� Numeração de pinos por linhas e colunas

Soquetes

� Padrões de conexão do microprocessador à placa-mãe� Slot 1 (obsoleto)

� P/ Pentium II, P3


Arquitetura 64

� Soquete 1 (obsoleto)� P/ 486DX, 486SX

� Socket 423 (Intel)� Pentium 4� Substituído pelo soket 478

Soquetes

� Socket 754 (AMD)� Athlon, Sempron, Turion

� Socket 939 (AMD)


Arquitetura 65

� Socket 939 (AMD)� Athlon 64/64FX/64X2, Opteron

Soquetes atuais

� Socket AM3 (AMD)


Arquitetura 66

� Socket T (Intel)� Core I7, Xeon,

Soquetes atuais

� Socket LGA775� Core 2 Duo/Quad


Arquitetura 67

microprocessadores ii arquitetura

Devices & Hardware