N.907-sfonseca N.910-tlacerda-e316-2009-2s

ACADEMIA

MILITAR

DIRECÇÃO

DE ENSINO

CURSO DE GNR ARMAS

Novos Microprocessadores

ALUNOS: CAD Al: 907-Fonseca CAD Al: 910-Lacerda PROFESSOR DOCENTE: JTorres

Amadora, 6 Maio 2009

N.907-SFONSECA N.910-TLACERDA-E316-2009-2S

Indíce



Resumo------------------------------------ 3



Parte 1------------------------------------- 4-13



Parte 2------------------------------------- 14



Anexos------------------------------------- 15



Referências Bibliográficas------------ 16

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Resumo

Sabemos agora como é que os microprocessadores evoluíram e o que existia antes

do

aparecimento

dos

mesmos.

Conhecemos

bem

a

história

dos

microprocessadores e a realidade anterior à sua existência ao longo destas últimas gerações. Existe duas grandes empresas a produzirem microprocessadores. São elas a Intel e a Amd sendo estas as principais, havendo uma enorme concorrência entre as mesmas. O microprocessador constitui-se unicamente por um chip, “elemento fundamental da máquina” sendo a unidade de encaminhamento de toda a informação. Os transístores têm forte influência na performance de um processador, aumento substancial de transístores por chip eleva o potencial da máquina. A continua evolução trouxe-nos processadores de 64 bits com substancial aumento do espaço de endereços em relação aos demais.

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Sistemas Computacionais Microprocessadores

O microprocessador é o coração de qualquer computador normal, seja um computador de mesa, um servidor ou então um laptop. Possivelmente a marca do seu processador é Intel ou AMD, e quanto ao tipo é Atom, Core 2 Duo, Celeron, Phenon, Turyon ou Athlon sendo as suas funções praticamente as mesmas. Um microprocessador (também conhecido como CPU ou unidade central de processamento) é uma máquina completa de computação embutida em um único chip. O primeiro microprocessador foi o Intel 4004, lançado em 1971. Chip 4004, o primeiro O i4004 não era muito poderoso, já que ele só podia somar e processador

do

subtrair 4bits por vez. Mesmo assim, era incrível ver tudo isso mundo, criado pela em um único chip naquela época. Antes do 4004, os Intel engenheiros construíram computadores com vários chips (transistores ligados um a um). O 4004 foi utilizado em uma das primeiras calculadoras electrónicas portáteis.

Historia dos Microprocessadores A maioria dos computadores existentes no mercado vem com processador Intel ou AMD. As duas empresas, rivais neste mercado desde meados da década de 90, oferecem várias linhas de processadores, como Core, Pentium, Celeron e Atom, da Intel, e Turion, Sempron, Phenom e Athlon, da AMD. Cada uma dessas linhas é voltada para

uma

tipo

de

máquina

e

um

tipo

de

público.

Fundada em 1968 pelos norte-americanos Gordon Moore e Robert Noyce, a Intel (sigla de Integrated Electronics) começou a fabricar memórias para computadores de grande

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N.907-SFONSECA N.910-TLACERDA-E316-2009-2S porte antes de entrar no mercado de microprocessadores (o primeiro processador Intel foi feito para calculadoras digitais da Texas Instruments). Quarenta anos depois, a empresa domina o mercado, já produzia processadores específicos para notebooks e desktops. Para notebooks, a Intel produz as linhas Core2 Duo e Core2 Solo, que têm dois núcleos de processamento e baixo consumo de energia graças à tecnologia de fabricação de 65 nanometros e 45 nanometros, e Core Solo e Core Duo, processador com apenas um único núcleo que foi fabricado com 65 nanometros.

Criada em 1969 para atender às necessidades da Intel – produzir chip de memória para a empresa de Mooore e Noyce – a Advanced Micro Device resolveu fabricar sua própria linha de produtos. Apesar de estar mais centrada na produção de processadores para desktops, a empresa também tem suas linhas para notebooks, fabricadas com tecnologias de 65 nm (Turion

X2

Ultra

e

Mobile

Sempron)

e

90

nm

(Turion64

X2).

Recentemente, os processadores Intel ganharam uma nova família, a Core i7, baseada na arquitetura Nehalem, com novo desenho interno do processador e fabricação de 45 nm. O que coloca o i7 no topo da cadeia dos processadores é a quantidade de transistores existentes em uma microárea de 263 nanometros quadrados – são 731 milhões. Para se ter uma idéia, o top de linha da AMD, o Phenom, tem 463 milhões de transistores em uma área de 283 nanometros quadrados. Com esses transistores nesse espaço minúsculo, os i7 são poderosos e podem simular até 8 núcleos ao mesmo tempo – o dobro do número real.

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Evolução dos Microprocessadores

 Na Pré-história absorveu-se a representação do equipamento e obteve-se

uma melhoria do equipamento.  Na 1ª Geração ouve uma melhoria na velocidade, rendimento e fiabilidade.  Na 2ª Geração diminuiu-se o tamanho, custo, consumo e o calor

dissipado pelo mesmo.  Na 3ª Geração melhorou-se o interface com o cliente.  Na 4ª Geração melhorou-se a comunicação com o cliente (Ver figura nº1

em anexo).  Na 5ª Geração esperasse um aumento da padronização.

O primeiro microprocessador utilizado num computador pessoal foi o Intel 8080. Era um computador de 8 bits completo dentro de um chip e foi lançado em 1974. O primeiro microprocessador que se tornou realmente popular foi o Intel 8088, lançado em 1979 e incorporado a um PC IBM - que apareceu em 1982. Se você está familiarizado com a história e o mercado de PCs, vai se lembrar da evolução dos processadores. O 8088 evoluiu para o 80286, depois para o 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium III e Pentium 4, Celeron, Xeon, Itanium, Core, Core Duo, Quad. Sistemas Computacionais “Microprocessadores” Cad Al 907 e Cad Al 910 Página 6

N.907-SFONSECA N.910-TLACERDA-E316-2009-2S Todos estes microprocessadores foram produzidos pela Intel e são melhorias do design básico do 8088l.O Seu principal concorrente, a AMD, evoluiu paralelamente, com o 286A, o 386, 486, 586, K5, K6-3, Athlon, Duron, Sempron, Athlon MX, AMD64, Phenom e Turion.

Tabela de Processadores

Velocidade do clock

Largura de dados

MIPS

6

2 MHz

8 bits

0,64

29.000

3

5 MHz

16 bits 8 bits

0,33

1982

134.000

1,5

6 MHz

16 bits

1

80386

1985

275.000

1,5

16 MHz

32 bits

5

80486

1989

1.200.000

1

25 MHz

32 bits

20

Pentium 1993

3.100.000

0,8

60 MHz

32 bits 64 bits

100

Pentium II 1997

7.500.000

0,35

233 MHz

32 bits 64 bits

300

Pentium 1999 III

9.500.000

0,25

450 MHz

32 bits 64 bits

510

Pentium 4 2000

42.000.000

0,18

1,5 GHz

32 bits 64 bits

1,700

Pentium 4 2004 125.000.000 "Prescott"

0,09

3,6 GHz

32 bits 64 bits

7,000

Pentium 2005 230.000.000 D

90nm

2,8 GHz 3,2 GHz

32 bits

Nome

Data Transistores Mícrons

8080

1974

6.000

8088

1979

80286

Core2

2006 152.000.000

65nm

1,33 2,33 GHz

32 bits

26,000

Core 2 Duo

2007 820.000.000

45nm

3 GHz

64 bits

53,000

Core i7

2008 731.000.000

45nm

2,66 GHz 3,2 GHz

64 bits

76,000

Fonte: The Intel Microprocessor Quick Reference Guide  Esta tabela elucida-nos dos vários microprocessadores existentes e a sua evolução. Sistemas Computacionais “Microprocessadores” Cad Al 907 e Cad Al 910 Página 7

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Informações sobre esta tabela: •

A data é o ano em que o processador foi lançado. Muitos processadores são relançados com maiores velocidades de clock anos depois do lançamento original.

•

Transistores é o número de transístores no chip. Nos últimos anos, o número de transístores num chip cresceu bastante.

•

Mícrons é a largura, em mícrons, do menor fio do chip. Para se ter uma idéia, o fio de cabelo humano tem a espessura de 100 mícrons. Os chips diminuem de tamanho e o número de transistores aumenta.

Velocidade do clock é a taxa máxima do clock do chip. Velocidade do microprocessador – funciona a X milhões de ciclos por segundo. •

Largura de dados é a largura da Unidade Lógico-Aritmética (ALU). Uma ALU de 8 bits pode somar/subtrair/multiplicar/etc dois números de 8 bits. Uma ALU de 32-bit pode manipular números de 32 bits. Uma ALU de 8 bits teria que executar quatro instruções para somar dois números de 32 bits, enquanto que uma ALU de 32 bits precisa de apenas uma instrução. Em muitos casos, o barramento externo de dados é da mesma largura que a ALU. O 8088 tinha uma ALU de 16 bits e um barramento de 8 bits. Os chips mais recentes buscam dados de 64 bits de uma vez para as suas ALUs de 32 bits.

A partir dessa tabela, pode-se perceber que existe uma relação entre a velocidade do clock e o MIPS. A velocidade máxima do clock é uma função do processo de fabricação e dos atrasos internos. Também existe uma relação entre o número de transistores e o MIPS. Por exemplo, o 8088 tinha um clock de 5 MHz, mas tinha MIPS de 0,33 (cerca de uma instrução para cada 15 ciclos do clock). Os processadores modernos executam milhões de instruções por ciclo. Essa melhoria está directamente relacionada ao número de transistores no chip.

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Este microprocessador simples possui: •

um barramento de endereços (pode ser de 8, 16 ou 32 bits) que envia um endereço para a memória;

•

um barramento de dados (pode ser de 8, 16 ou 32 bits) que envia e recebe dados da memória;

•

uma linha RD (Read ou Leitura) e WR (Write ou Escrita) que diz à memória se ela deve gravar ou ler o conteúdo da posição de memória endereçada;

•

um sinal de clock que fornece uma sequência de pulsos de relógio para o processador;

•

um sinal de reset que reinicia o contador do programa para zero (ou outro valor) e recomeça a execução do programa.

A memória do microprocessador Na página anterior falamos sobre endereçamentos e barramentos de dados, assim como as linhas RD e WR. Esses barramentos e linhas se conectam com as memórias RAM e ROM. No nosso microprocessador de exemplo, nós temos um barramento de endereços de 8 bits e um barramento de dados de 8 bits. Isso significa que o microprocessador pode endereçar (28) 256 bytes de memória e ler ou escrever 8 bits da memória por vez. Vamos supor que este microprocessador simples

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N.907-SFONSECA N.910-TLACERDA-E316-2009-2S tenha 128 bytes de ROM que começa no endereço 0 e 128 bytes de RAM que começa no endereço 128.

Memória ROM ROM significa memória apenas para leitura (read-only memory). Um chip ROM é programado com uma colecção permanente de bytes pré-definidos. O barramento de endereçamento diz ao chip ROM qual byte pegar e colocar no barramento de dados. Quando a linha RD muda o estado, o chip ROM apresenta o byte seleccionado ao barramento de dados (Ver figura nº2 em anexo). Memória RAM RAM significa memória de acesso aleatório (random access memory). A memória RAM contém bytes de informação e o microprocessador pode ler ou escrever nestes bytes, dependendo da linha de comando utilizada: RD ou WR. Um dos problemas dos chips RAM é que eles esquecem tudo uma vez que a energia é desligada (ver figura nº3 em anexo). É por isso que o computador precisa de ROM. Todos os computadores têm alguma memória ROM, e é possível criar um computador simples que não tenha memória RAM. Muitos microcontroladores fazem isso, colocando um pouco de memória RAM no próprio chip do processador. Porém, é impossível criar um computador que não tenha memória ROM. Num PC, a memória ROM é conhecida como BIOS (sistema básico de entrada/saída). Quando um microprocessador começa a funcionar, ele executa primeiro as instruções contidas na BIOS. As instruções da BIOS realizam testes no hardware e depois vão para o disco rígido para buscar o boot sector. O boot sector é outro pequeno programa e a BIOS armazena-o na RAM depois de o ler no disco. O microprocessador então começa a executar as instruções do boot sector a partir da memória RAM. O programa de boot sector manda o microprocessador copiar algo mais do disco rígido para a memória RAM, que o microprocessador executa posteriormente. Esta é a maneira pela qual o microprocessador carrega e executa todo o sistema operacional.

As instruções do microprocessador Mesmo o mais simples dos microprocessadores pode executar uma grande variedade de instruções. As instruções são implementadas como padrões binários; cada Sistemas Computacionais “Microprocessadores” Cad Al 907 e Cad Al 910 Página 10

N.907-SFONSECA N.910-TLACERDA-E316-2009-2S uma delas significa algo diferente quando são carregadas pelo registrador de instruções. Como pessoas não são tão boas em lembrar padrões binários, um conjunto de pequenas palavras foi definido para representar os diferentes padrões binários. Esta coleção de palavras é conhecida como a linguagem assembly do processador. Um assembler (montador) pode traduzir as palavras para o seu padrão binário e a informação de saída do assembler é alocada na memória para ser executada pelo microprocessador. Aqui está uma série de instruções assembly que um projetista poderia criar para este microprocessador simples: •

LOADB mem - carrega o registrador B do endereçamento de memória

•

CONB con - carrega um valor constante no registrador B

•

SAVEB mem - armazena o registrador B no endereçamento de memória

•

SAVEC mem - armazena o registrador C no endereçamento de memória

•

ADD - soma A com B e armazena o resultado em C

•

SUB - subtrai A de B e armazena o resultado em C

•

MUL - multiplica A por B e armazena o resulado em C

•

DIV - divide A por B e armazena o resultado em C

•

COM - compara A com B e armazena o resultado no registrador teste

•

JUMP addr - desvia para um endereçamento

•

JEQ addr - desvia, se igual, para o endereçamento

•

JNEQ addr - desvia, se não igual, para o endereçamento

•

JG addr - desvia, se maior que, para o endereçamento

•

JGE addr - desvia, se maior que ou igual, para o endereçamento

•

JL addr - desvia, se menor que, para o endereçamento

•

JLE addr - desvia, se menor que ou igual, para o endereçamento

•

STOP - pára a execução

•

LOADA mem - carrega o registrador A do endereçamento de memória

Performance do microprocessador e tendências. O número de transistores disponível tem forte influência sobre a performance de um processador. Como vimos anteriormente, uma mera instrução em um processador Sistemas Computacionais “Microprocessadores” Cad Al 907 e Cad Al 910 Página 11

N.907-SFONSECA N.910-TLACERDA-E316-2009-2S 8088 era executada em 15 ciclos de clock. O 8088 levava aproximadamente 80 ciclos para realizar uma multiplicação de números de 16 bits, devido ao projeto do multiplicador, com o aumento do número de transistores, multiplicadores mais potentes tornaram-se possíveis e os processadores conseguiram realizar esta tarefa mais rapidamente. O aumento da quantidade de transistores permitiu a criação de uma tecnologia chamada pipelining. Em uma arquitetura pipeline, as instruções de execução são realizadas simultaneamente. Mesmo que o processador leve cinco ciclos de clock para executar cada instrução, podem existir cinco instruções simultâneas em diferentes estágios de execução. Por esta razão, a impressão que temos é que cada instrução leva um ciclo de clock para ser realizada. Muitos processadores modernos possuem múltiplos decodificadores de instrução, cada um com seu próprio pipeline, permite múltíplos canais de execução de instruções. Dessa forma, mais de uma instrução é realizada durante cada ciclo de clock. Esta técnica pode ser de difícil implementação e requer muitos transístores.

Novas tendências A tendência inicial em projeto de processadores era: ULA com 32 bits, processadores rápidos de pontos flutuantes e execução pipeline com múltiplos canais de execução de instrução. A novidade são os processadores de 64 bits, de com até quatro núcleos de processamento e três níveis de memória cache (L1, L2 e L3). Outra tendência é a miniaturização do processo de fabricaçãos dos processadores, obtida com a evolução da nanotecnologia. Hoje o processo está em 45 nm, mas em breve os chips serão fabricados

em

22nm.

Quanto

menor

esse

número,

maior

o

número

transistoresexistentes em um processador (Ver figura nº4 em anexo).

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de

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Processador de 64 bits Uma das razões pela qual o mundo precisa de processadores de 64 bits é o seu grande espaço de endereçamentos. O limite máximo de acesso à memória RAM nos processadores de 32 bits é de 2 ou 4 GB. Parece ser bastante, já que a maioria dos computadores domésticos usa de 512 MB a 1 GB de memória RAM. Entretanto, um limite de 4 GB pode ser um grave problema para servidores e máquinas que gerenciam grandes bancos de dados. Em breve, até os computadores caseiros vão precisar de mais memória do que 2GB ou 4 GB. Um chip de 64 bits não tem restrições pelo fato de um endereçamento de espaço de memória RAM em 64 bits ser praticamente infinito para um futuro próximo. 2 elevado a 64 bytes de RAM é algo em torno de 1 bilhão de gigabytes de RAM. Com um barramento de endereçamento e um barramento de dados em alta velocidade operando em placas-mãe de 64 bits, as máquinas também terão maior velocidade de entrada/saída e isso vai acelerar os discos rígidos e as placas de vídeo. Estes recursos vão aumentar drasticamente a performance dos computadores. Os servidores certamente serão beneficiados com os 64 bits, as pessoas que trabalham com edição de vídeos e com grandes imagens serão beneficiadas por este tipo de computador. Os jogos modernos também irão melhorar, desde que sejam recodificados para tirar proveito dos recursos de 64 bits.

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Conclusões

Existe uma grande variedade de informação, por vezes não sendo a mais credível, tendo então havido uma selecção detalhada da mesma. Com esta pesquisa, adquirimos mais conhecimento de toda a realidade do microprocessador e memórias, desde o microprocessador (8080) até ao mais recente lançado no mercado (Core i7 64bits). Esta informação recolhida por sites electrónicos como também em trabalhos já realizados, permitiu-nos ter uma análise mais perceptível do estudo em questão.

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Anexos

Fig. 1

Fig. 2

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Fig. 3

Fig. 4

Referências Bibliográficas



http://informatica.hsw.uol.com.br/microprocessadores1.htm

 http://aulas.monixweb.com/wp-content/uploads/7-2 -

Microprocessadores.pdf

 http://users.hotlink.com.br/res/tabela.pdf

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 http://www.geocities.com/SiliconValley/Campus/6230/microp.html

 www.microprocessador.pt/noticiaDetalhe.pwp?dNoticia=75

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