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Introducao Processo de fabrico Geracoes de processdores RISC vs CISC Ciclo de execucao de instrucoes Pipeline
Cap. 5 - MicroprocessadoresArquitectura de Computadores 2010/2011Licenciatura em Informatica de Gestao
Dora Melo (Responsavel)
Originais cedidos gentilmente por Antonio Trigo (2009/2010)
Instituto Superior de Contabilidade e Administracao de Coimbra
Dora Melo (2010/2011) 1 / 29
Introducao Processo de fabrico Geracoes de processdores RISC vs CISC Ciclo de execucao de instrucoes Pipeline
1 Introducao
2 Processo de fabrico
3 Geracoes de processdoresPrimeiros processadoresGeracao 16 bitsGeracao 32 bitsGeracao 64 bits
4 RISC vs CISC
5 Ciclo de execucao de instrucoes
6 Pipeline
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Introducao
O processador, ou microprocessador (µP), e o circuitointegrado responsavel por executar as instrucoes de todos osprogramas armazenados em memoria;
Existe pelo menos um em todos os PCs, sejam eles,computadores de secretaria, estacoes de trabalho e servidorese computadores portateis;
Tal como os restantes demais componentes e encaixado daplaca-mae.
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Fotografia de um processador Pentium
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Grafico de evolucao do numero de trans ıstores num die
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Como sao fabricados
Sil ıcioO primeiro passo na fabricacao de processadores consiste naobtencao da materia-prima, o sil ıcio.O sil ıcio e um elemento quımico extremamente abundante,tanto que e considerado o segundo mais comum na Terra. Eposs ıvel extra ı-lo de areia, granito, argila, entre outros.Assim, a partir destes materiais, sao obtidos cilindros de sil ıciopuro (99,9999%), como se pode ver na figura abaixo.
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Como sao fabricados
Processo de fabricoApos a obtencao do rolos de sil ıcio estes sao fatiados, paraobtencao das wafers ou bolachas de sil ıcio;De seguida as wafers recebem uma camada fotosensıvel, ouseja, que reage a luz;Aplica-se entao a luz ultravioleta em certos pontos e emdeterminadas intensidades, desenhando desta forma ostransıstores que compoem o processador;Cada wafer da origem a centenas de processadores, que saorecortados da wafer;
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Como sao fabricados
Processo de fabricoO ultimo passo e o teste de qualidade a cada um dosprocessadores, do qual resulta a eliminacao/classificacao dosprocessadores.
Um Core Duo 6600 nao e diferente de um Core Duo 6800, porexemplo. Ambos partilham a mesma arquitectura e passarampela mesma linha de producao (quem sabe, ate partilharam amesma wafer). A unica diferenca e que o 6800 teve a”sorte”de sair mais perfeito e, gracas a isso, ser capaz deoperar a frequencias mais altas.
Podera visualizar em mais pormenor o processo de fabrico deprocessadores em http://www.gdhpress.com.br/hardware/leia/index.php?p=cap1-5.
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Primeiros processadores
Primeiros processadores
Em 1971, a Intel inventou o processador 4004, que sedestinava a uma maquina de calcular de bolso;
Em 1972 foi criado o 8008, o primeiro processador a 8 bits;
Em 1974 surgiu o 8080, considerado o precursor dosprocessadores modernos;
Mais tarde, antigos tecnicos da Intel criaram a empresa Zilog,a primeira concorrente a Intel, e o processador Z80,compatıvel com o 8080.
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Primeiros processadores
Principais caracter ısticas dos primeiros processadores
CPU Transıstores Velocidade Barramentos Encapsulamentos4004 2300 108 KHz dados: 4 bits, en-
derecos: 12 bitsDIP
8008 3500 200 KHz dados: 8 bits, en-derecos: 14 bits
DIP
8080 4500 2 MHz dados: 8 bits, en-derecos: 16 bits
CDIP
Z80 10 MHz
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Geracao 16 bits
Em 1976, a Intel adoptou a arquitectura de 16 bits, isto e, oprocessador passou a utilizar operandos de 2 bytes;
Surgiram entao o 8086 e o 8088, sendo que ainda hoje osprocessadores sao designados como x86, ou seja, pertence afamılia 8086 (iniciada com o 8086);
Estes processadores tiveram imenso sucesso, pelo facto deterem sido escolhidos pela IBM para equiparem o primeirocomputador pessoal: o IBM PC/XT;
O 8088 era uma alternativa de baixo custo ao 8086, quepossuıa um barramento de dados de 8 bits, contra os 16 bitsdo 8086;
Mais tarde surgiu o 80286 (ou 286), com barramento deenderecos de 20 bits, que veio equipar o IBM PC/AT.
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Geracao 32 bits
386
O primeiro processador a 32 bits foi o processador 386 daIntel, que surgiu em 1985. Define e resume as caracter ısticasmais importantes da famılia x86;
A principal inovacao deste processador, para alem da largurade dados de 32 bits, a a utilizacao de um barramento deenderecos de 32 bits que permite utilizar 232 bytes dememoria;
Outra novidade do 386 e a utilizacao do mode de operacaoVirtual que permite simular varios 8086 independentes;
Em 1990 surge o 386SL, com um sistema de gestao deconsumo, que foi um dos primeiros processadores utilizadosem larga escala, na producao de portateis.
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Geracao 32 bits
486
O sucessor do 386, surgiu em 1989, e apresenta comoprincipais inovacoes:
Maior numero de unidades funcionais, integrando na die doprocessador componentes que ate entao eram externos aomesmo, nomeadamente a cache L1 e o coprocessadoraritmetico.Diminuicao do numero de ciclos por instrucao devido ao maiornumero de transıstores;Utilizacao de um multiplicador para a obtencao do clockinterno em funcao do clock externo (placa mae) e que permiteao processador funcionar a velocidades superiores as dobarramento principal.
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Geracao 32 bits
Pentium
Contem duas unidades de calculo de inteiros;
Arquitectura superescalar, isto e, pode executar mais do queuma instrucao por ciclo (introducao da ideia do pipeline);
Versao Pentium MMX (Multimedia Extensions), que possuıainstrucoes especıficas para aplicacoes multimedia;
Versao Pentium Pro, cuja principal caracter ıstica era a depossuir um nucleo RISC e um descodificador interno CISC,para transformar as complexas instrucoes x86 em instrucoesRISC internas;
Na versao Pentium Pro foi tambem introduzida a arquitecturaDIB (Dual Independent Bus) - criacao do BSB (Back SideBus).
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Geracao 32 bits
Pentium
Pentium II e II Xeon, integracao da cache L2 no processador;
Pentium III e III Xeon, encaixava na vertical;
Pentium 4, devido as altas frequencias de operacao,necessitava de sistemas de ventilacao mais poderosos;
Intel Xeon, versao para servidores baseada no Pentium 4
Famılia Celeron, e constitu ıda por um conjunto deprocessadores com tecnologia semelhante a famılia“Pentium”, com algumas diferencas, que fazem com que osprocessadores desta famılia operem a frequencias inferiores esejam mais baratos.
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Geracao 64 bits
Servidores
O Itanium foi o primeiro processador de 64 bits lancado pelaIntel;
Este processador incorpora um novo conjunto de instrucoesdesignado por IA-64, incompatıveis com as instrucoes dasfamılias de 32bits;
Este processador esta orientado para o mercado de servidorespelo que foi optimizado para a realizacao de muitas instrucoespor ciclo em detrimento de um relogio mais rapido comoacontecia com o Pentium 4 (1.8GHz);
Itanium 2 e AMD Opetron, tambem orientados paraservidores;
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Geracao 64 bits
Processadores recentes de 64bits para secretaria
Intel CoreIntel Core 2 DuoIntel Core 2 QuadIntel Core i5 e i7, com tecnologia de 45nm;
AMDAMD Athlon; AMD Athlon X2;AMD Athlon II X2;AMD Phenom; AMD Phenom II.
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Geracao 64 bits
Processadores recentes de 64bits para portateis
Intel Core CentrinoIntel Core 2 DuoIntel Core 2 QuadIntel Core i7, com tecnologia de 45nm;
Intel Core Celeron
AMDAMD Sempron (32 bits);AMD Athlon X2;AMD Athlon Neo;AMD Turion X2.
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Arquitectura RISC e CISC
Complex Instruction Set (CISC)
E uma linha de arquitectura de processadores capaz deexecutar centenas de instrucoes complexas diferentes sendo,assim, extremamente versatil.Exemplos de processadores CISC sao os 386 e os 486 da Intel.
Reduce Instruction Set (RISC)
E uma linha de arquitectura de computadores que favorece umconjunto simples e pequeno de instrucoes que levamaproximadamente a mesma quantidade de tempo para seremexecutadas.A maioria dos microprocessadores modernos sao RISC.
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Arquitectura RISC vs CISC
RISC vs CISCA vantagem da arquitectura CISC e de ja existirem muitas dasinstrucoes no proprio processador, o que facilita o trabalho dosprogramadores. No caso de um chip estritamente RISC, oprogramador ja tera mais de trabalho, pois dispoe somente deinstrucoes simples, o que o obriga a combinar varias instrucoespara executar uma tarefa mais complexa.Os chips actuais, sao uma mistura das duas arquitecturas.Internamente, o processador processa apenas instrucoes simples(RISC), existindo um circuito descodificador, que converte asinstrucoes complexas utilizadas pelos programas em variasinstrucoes simples que podem ser entendidas pelo processador.
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Tabela comparativa entre RISC e CISC
RISC CISCNumero de instrucoes Reduzido ElevadoTamanho das instrucoes Fixo VariavelFormatos das instrucoes Poucos MuitosModos de enderacamento Poucos MuitosRegistos de uso generico Muitos Poucos, alguns
com utilizacoespre-definidas
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Estrutura de um processador moderno
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Registos importantes
Unidade Aritmetica e LogicaMBR - Memory Bu!er Register, contem uma palavra de dados(a lida mais recentemente da memoria ou a que vai ser escritaem memoria).
Unidade ControloMAR - Memory Address Register, contem um endereco deuma posicao na memoria;PC/IP - Program Counter/Instruction Pointer, que indica aposicao em que o processador se encontra na sequencia deinstrucoes a executar. Dependendo da arquitectura contem oendereco de memoria da instrucao que esta a executar ou oendereco a instrucao seguinte a executar;IR - Instruction Register, que contem a instrucao adquiridamais recentemente.
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Ciclo Fetch and Execute
Uma das funcoes basicas de um processador e a de executarum programa, que consiste num conjunto de instrucoesarmazenadas em memoria;
Na sua forma mais simples a execucao de instrucoes pode serdivida em duas etapas: primeiro processador le (fetch) umainstrucao da memoria e executa-a (execute); A execucao deum programa consiste em repetir este processo, ate chegar aultima instrucao.
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Ciclo Fetch and Execute
Assim, o processador executa cada instrucao numa sequenciade passos elementares, agrupados da seguinte forma:Fetch
Le uma instrucao da localizacao em memoria especificada peloregisto PC/IP;Incrementa o PC/IP de modo a ficar a apontar para a proximainstrucao;Carrega a instrucao que vem da memoria no seu IR;
ExecuteAnalisa (descodifica) a instrucao para determinar o tipo deoperacao e operandos;Se a instrucao necessita de operandos, calcula a sualocalizacao e se necessario, vai buscar o(s) operando(s);Executa a operacao especificada na instrucao;Guarda o resultado da operacao efectuada;
Volta ao passo inicial para ir buscar nova instrucao.Dora Melo (2010/2011) 25 / 29
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Ciclo Fetch and Execute
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Processamento pipeline
A estrategia usada e semelhante a uma linha de producao emserie de uma fabrica;
Se reconhecermos que as instrucoes sao executadas por fases(por exemplo duas: aquisicao e execucao) podemos explicar oconceito pipeline em duas fases independentes;
A primeira fase consiste em adquirir uma instrucao, utilizandopara tal os ciclos de memoria deixados livres pela segunda fase,e coloca-la num bu!er;A segunda fase, consiste em executar a instrucao adquirida naprimeira fase disponıvel no bu!er.
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Processamento pipeline
Por forma a aumentar a performance do sistema, o pipelinetem de ter mais estagios e de duracao igual. Assim asinstrucoes podem ser decompostas em:
Aquisicao da instrucao (F.I. Fetch Instruction)Descodificacao da instrucao (D.I. Decode Instruction)Calculo dos operandos (C.O. Calculation Operand)Aquisicao dos operandos (F.O. Fetch Operand)Execucao das instrucoes (E.I. Execute Instruction)Escrita dos Operandos (W.O. Write Operand)
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Processamento pipeline
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