Técnico de Gestão e Programação de Sistemas Informáticos
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Arquitetura de Microprocessadores
Conteúdos
Arquitetura de von Neumann;
CPU (Central Processing Unit).
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Arquitetura de von Neumann John
von Neumann, matemático húngaro, ligado à arquitetura dos computadores; Foi um dos criadores do ENIAC e contribuiu para a criação do EDVAC; Defensor
da arquitetura de um computador com um programa residente em memória em detrimento das ligações físicas usadas até então; Outra inovação da sua arquitetura era o uso da linguagem binária e o processamento bit a bit.
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Arquitetura de von Neumann Exterior
CPU
Dispositivos de entrada e saída E/S
ULA Memórias
UC
Dispositivos de entrada e saída E/S Exterior
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Arquitetura de von Neumann
ALU ou ULA: Unidade Lógica e Aritmética
– Unidade responsável pela realização de operações aritméticas como somas, subtrações, etc.; – É ainda responsável pela realização de operações lógicas com OR (ou) AND (e) XOR (ou exclusivo). UC: Unidade de controlo
– Controlador de toda a máquina inclusivamente a própria ALU; – Trata do endereçamento da memória, envio dos dados para a ALU, coordenando todas as operações que esta deve realizar.
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Arquitetura de von Neumann
Memória
– Dispositivos de armazenamento das instruções entre a realização das operações. Entrada e Saída (Input/Output)
– Interfaces de comunicação com o exterior; – Recebem e enviam dados através de dispositivos de entrada e saída (I/O).
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Arquitetura de von Neumann
O primeiro computador
a utilizar esta arquitetura foi o EDVAC (1952) que usava a tecnologia de Válvulas eletrónicas; Com o aparecimento dos transístores esta arquitetura assumiu ainda maior relevo.
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ďƒ˜ Apesar
Arquitetura de von Neumann
de apresentarem ligeiras diferenças, atualmente, a maior parte dos microprocessadores ainda se baseiam nesta arquitetura.
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CPU (Central Processing Unit)
Um
CPU (Central Processing Unit) ou Unidade Central de Processamento, também chamado de Processador ou Microprocessador é muitas vezes confundido com o próprio computador; Chamado de cérebro do Computador, tem como principais características: – Velocidade de relógio (velocidade de processamento no interior do CPU); – Largura dos canais de comunicação (forma como os componentes internos e externos do CPU estão interligados).
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CPU (Central Processing Unit)
Um dos fatores mais
importantes na escolha de um processador é a sua velocidade (velocidade de relógio); Essa velocidade dita o
comportamento do computador quando tem de executar aplicações mais exigentes.
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CPU (Central Processing Unit)
ďƒ˜A
velocidade de um processador ĂŠ medida em Hz (em homenagem ao fĂsico alemĂŁo Heinrich Rudolf Hertz, que comprovou a existĂŞncia da radiação eletromagnĂŠtica); ďƒ˜ Os Hz ou ciclos por segundo (s-1) representam o inverso do perĂodo: 1 f= đ?‘‡
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CPU (Central Processing Unit)
Assim
sendo 1 Hz representa 1 ciclo por segundo, logo um CPU com uma velocidade de 100Hz executa 100 ciclos por segundo; Analogamente um CPU de 3,2 GHz executa 3,2 biliões de ciclos por segundo Exercício – Qual é a velocidade do seu processador? – Quantos ciclos por segundo executa?
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CPU (Central Processing Unit)
Outro
fator crucial para medir o desempenho do CPU é a largura dos canais de comunicação. Esta largura de canais depende de três fatores: – Registos Internos; – Barramento de Endereços; – Barramentos de dados (também conhecido por FSB – Front Side Bus).
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Registos Internos
Os
registos internos são pequenas memórias que indicam o número de bits com que o CPU trabalha de cada vez: – – – – –
O
4 bits (Intel 4004 - 1971) 8 bits (Intel 8008 - 1972) 16 bits (Intel 8086 - 1978) 32 bits (Intel 80486 - 1989) 64 bits (AMD Athlon - 2003)
tamanho dos registos determina a quantidade de informação com que o CPU consegue lidar internamente por ciclo de relógio.
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Os
Registos Internos
Registos Internos são o tipo de memória mais rápida que o processador dispõe; Usados quando uma determinada informação é necessária novamente no decorrer de uma instrução; CPU Os dados contidos nos registos internos viajam UC ALU através do barramento Bus interno, que funciona à interno mesma velocidade do CPU. Registos
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Barramento de Endereços
O
Barramento de Endereços (Address Bus) representa as linhas ou pistas de comunicação através das quais o CPU acede a posições de memória, ou aos dispositivos de entrada/saída para onde envia ou lê informação;
Basicamente
representam os “canais” onde circulam os endereços das posições de memória.
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Barramento de Endereços
No
acesso à memória o número de linhas do barramento define a quantidade de memória que o CPU consegue endereçar; Por exemplo um processador com um barramento (Bus) de 8 bit só poderá endereçar 256 posições:
28=256 ⟺
2x2x2x2x2x2x2x2=256
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Barramento de Endereços Endereços Decimais
Endereços Binários
Conteúdo
0
00000000
10100110
1
00000001
11110110
2
00000010
10111110
3
00000011
10110100
4
00000100
10110000
….
…..
.…
254
11111110
255
11111111
01110110 10010110
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Barramento de Endereços
Um processador 8086 tinha um Bus de 20 bit;
só podia endereçar até 220 =1.048.576 posições (1 MB de memória RAM); Mesmo que este processador tivesse num sistema disponíveis 2 MB de memória RAM não a conseguiria “ver” logo não a conseguiria utilizar. Logo
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Barramento de Dados
Barramento
de Dados (mais conhecido por FSB - Front Side Bus) é o barramento que interliga o CPU e a memória RAM;
Canal
físico de comunicação de dados entre o interior e o exterior do CPU; O número de pistas dita a quantidade de informação que o CPU pode mover de cada vez de e para a memória;
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Barramento de Dados
Por
este barramento circulam dados referentes a dispositivos de E/S (gráfica, USB, etc.); Em suma o processador comunica com os componentes exteriores através dos Barramentos.
BUS
CPU
Memória
E/S
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Barramento de Dados
Cada Barramento tem um número de pistas associado que indica o número de bits que transporta em simultâneo (16 pistas = 16 bits de cada vez); Logo quanto maior o número de pistas mais informação o CPU consegue enviar/receber para/do exterior.
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Apesar
Barramento de Controlo
de não influenciar diretamente o desempenho do processador o barramento de controlo permite “controlar” as ações em curso; O barramento de controlo é responsável por coordenar/sincronizar todo o fluxo de informação do sistema.
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Dos barramentos do
Barramentos Bus dados
sistema apenas os de dados e controlo são bidirecionais; CPU Bus endereços Os barramentos de endereços tem Bus controlo sempre o sentido do CPU -> Memória e/ou CPU -> Dispositivos de E/S, pois apenas o CPU pesquisa endereços na memória ou dispositivos de entrada/saída.
Memória Disp. E/S
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Relógio (Clock)
Inicialmente os processadores
trabalhavam na mesma frequência da placa-mãe; Mas à medida que a tecnologia foi evoluindo, a frequência de relógio do processador aumentou mais rapidamente que a dos demais componentes; Criando assim um sistema que funciona a duas velocidades distintas.
Exterior Bus externo
CPU UC
ALU Bus interno
Registos
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Porém
Relógio (Clock)
para evitar tempos de espera começou a usar-se o multiplicador, que significa quantas vezes o processador trabalha mais rápido que a placamãe, isso obrigou ao aparecimento dos conceitos de: – Relógio Interno (frequência interna do processador); – Relógio Externo (frequência dos demais componentes).
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Relógio (Clock)
Por
exemplo um processador Pentium 2,4 GHz tem uma velocidade interna de 2,4 GHz mas a motherboard funciona apenas a 266 MHz, pelo que a velocidade de BUS é de 266 MHz; Assim sendo por cada ciclo na motherboard passam 9 ciclos de processador:
9 x 266 MHz = 2394 MHz 2394 MHz ≈ 2,4GHz
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Nesta
Relógio (Clock)
arquitetura a velocidade do barramento de dados é fundamental para o processador movimentar rapidamente informação do/para interior/exterior e vice-versa;
Atualmente,
aplicam-se técnicas diferentes para transferência de informação entre CPU e o exterior.
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Em
Relógio (Clock)
vez da transferência de informação baseada no FSB (enviando dados em paralelo à velocidade imposta pelo barramento externo), os dados são enviados em série por barramentos dedicados que interligam os componentes ponto a ponto; Desta forma é possível reduzir o número de bits e mesmo assim aumentar a quantidade de dados transferidos num determinado intervalo de tempo; Uma vez que estes passam a ser transferidos a velocidades mais altas, não dependendo mais da velocidade do barramento externo.
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Um
Barramentos [particularidades]
CPU de 64 bits atual só tira o máximo partido da sua arquitetura se correr um SO a 64 bits; Correr num CPU de 64 bits um SO a 32 bits será desperdiçar processador; O número de transístores contidos no chip do CPU conferem-lhe a velocidade.
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Bibliografia
SÉRGIO, Ricardo, Arquitetura de Computadores, 1ª Edição, Areal Editores, 2011.