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1 Prof. Edson Pedro Ferlin Prof. Edson Pedro Ferlin Arquitetura de Computadores Arquitetura de Computadores Microprocessadores Microprocessadores Prof. Edson Pedro Ferlin Prof. Edson Pedro Ferlin 2 Computador Computador Sistema composto por Processador, Memória e dispositivos de E/S, interligados por um barramento Processador ( CPU ) Memória E/S Processadores Processadores Prof. Edson Pedro Ferlin Prof. Edson Pedro Ferlin Arquitetura de Computadores Arquitetura de Computadores

Prof. Edson Pedro Ferlin · 2012. 7. 9. · Power4 - 64bits RISC Alpha 21464 - 64bits SMT PowerPC G4- 32bits RISC UltraSPARC III - 64bits RISC R14000 - 64bits RISC Microprocessadores

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1Prof. Edson Pedro FerlinProf. Edson Pedro Ferlin Arquitetura de ComputadoresArquitetura de Computadores

MicroprocessadoresMicroprocessadores

Prof. Edson Pedro FerlinProf. Edson Pedro Ferlin

2

ComputadorComputador

Sistema composto por Processador, Memória e dispositivos de E/S, interligados por um barramento

Processador( CPU )

Memória E/S

ProcessadoresProcessadores

Prof. Edson Pedro FerlinProf. Edson Pedro Ferlin Arquitetura de ComputadoresArquitetura de Computadores

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PastilhaPastilha

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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ProcessadoresProcessadores(CPU, Microprocessadores, Microcontroladores)

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DefiniçõesDefinições

• Processador – Cérebro dos computadores, composto pela Unidade de Controle, Unidade(s) de Operação(ões) e Registradores.

• CPU - Unidade Central de Processamento

ProcessadoresProcessadores

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ProcessadoresProcessadores

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ComponentesComponentesUC (Unidade de Controle)• Busca de instruções

• Determina a instrução

• Controla o processador

ULA (Unidade Lógica e Aritmética)• Operações Aritméticas: soma, subtração

• Operações Booleanas: and, or, not

Registradores• Armazenar resultados temporários

• Armazenar informações de controle

• PC (Program Counter)

• IR (Instruction Register)

• A (Accumulator)

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ProcessadoresProcessadores

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UC

RD

RE

IRBanco de

Regs

ULA

A

PC

+1

Dados

Endereço

Controle

Processador

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ProcessadoresProcessadores

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Fluxo de DadosFluxo de Dados

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ProcessadoresProcessadores

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Ciclo de ExecuçãoCiclo de Execução

1. Busca a próxima instrução da memória p/ o registrador de instrução (IR);

2. Atualiza o contador de programa (PC) p/ que ele aponte p/ a instrução seguinte;

3. Determina o tipo da instrução;

4. Se a instrução usa dados da memória, determina onde eles estão;

5. Busca os dados, se houver algum, p/ registradores internos da CPU;

6. Executa a instrução;

7. Armazena os resultados nos locais apropriados;

8. Volta ao passo (1) p/ iniciar a execução da próxima instrução.

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ProcessadoresProcessadores

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Ciclo de ExecuçãoCiclo de Execução

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ProcessadoresProcessadores

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Exemplo de ExecuçãoExemplo de Execução

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HistóricoHistórico

• 1971 (abril) - Intel o 4004 - primeiro processador (microprocessador); 4 bits; 0,108MHz; 2300 Transistores; 640bytes

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Cronologia (1971 Cronologia (1971 –– 1979)1979)

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Cronologia (1982 Cronologia (1982 –– 1989)1989)

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Cronologia Cronologia (1990 (1990 –– 1999)1999)

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Cronologia (2000 Cronologia (2000 –– 2004)2004)

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Anos 70Anos 70

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Anos 80Anos 80

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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AnosAnos 9090

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TiposTipos

• Microprocessadores – Processadores contidos em um único encapsulamento (chip). – Ex: Pentium, PowerPC

• Microcontroladores – Processadores com recursos adicionais embutidos como E/S, memória, interrupção. Ex: 8051, PIC

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Arquitetura dos ProcessadoresArquitetura dos Processadores

• CISC – Complex Instruction Set Computer(80486, 68000)

• RISC – Reduced Instruction Set Computer(PowerPC, Pentium*, MIPS)

• VLIW – Very Large Instruction Word(DSP, Crusoe)

• EPIC – Explicity Parallel Instruction Computing(Itanium)

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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ProcessadoresProcessadores

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Arquiteturas Arquiteturas

• CISC – São processadores que tem um conjunto de instruções complexas e que requerem vários Ciclos de Máquina para serem executadas.

• RISC – São processadores que tem um conjunto de instruções reduzido, pois somente são permitidas as instruções que possam ser executadas em um ciclo de máquina.

• VLIW – São processadores que podem executar várias instruções simultâneamente em suas unidades funcionais. Esta arquitetura se caracteriza por executar gabarito de instruções.

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ProcessadoresProcessadores

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Características CISC RISC VLIWInstruções Instruções complexas

consumindo múltiplos ciclos de máquina

Instruções simples gastando um ciclo de máquina

Idem RISC

Tamanho das Instruções Variável Mesmo tamanho Mesmo tamanho (Gabarito)

Referência à Memória Qualquer instrução pode referenciar a memória

Apenas instruções loads/storesreferenciam a memória

Idem RISC

Pipeline Não tem pipeline, ou tem pouco

Altamente pipeline Grande Capacidade

Microcódigo Instruções são interpretadas pelo microprograma

Instruções são executadas diretamente pelo hardware, sem a necessidade do interpretador

Idem RISC

Modos de Endereçamento Muitas instruções e muitos modos de endereçamento

Poucas instruções e também poucos modos de endereçamento:DiretoVia Registrador

Idem RISC

Complexidade A complexidade está embutida no microprograma

A complexidade do sistema está no compilador

A grande carga de trabalho para montar o gabarito é para o compilador

Registradores Conjunto único de registradores

Múltiplos conjuntos de registradores

Idem RISC

Unidade de Load/Store Não tem, pois todas as instruções podem acessar a memória

Sim Sim

Unidade de Branch Não tem este recurso Sim Sim

Cache Não tem cache L1 e poucos tem L2

L1 – Dados/InstruçõesL2 – DadosL3 - Dados

Idem RISC

Paralelismo Nenhum Sim, depende das unidades internas

Sim, depende do gabarito

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DesempenhoDesempenho

–– Período do Clock:Período do Clock: Component Technology and Hardware Component Technology and Hardware OrganizationOrganization

–– CPI(Clocks per Instruction):CPI(Clocks per Instruction): Hardware Organization and Hardware Organization and Instruction Set ArchitectureInstruction Set Architecture

–– IC(Instruction Count):IC(Instruction Count): Instruction Set Architecture and Instruction Set Architecture and CompilerCompiler

O desempenho da CPU depende destes três fatores, e podem ser melhorado pela redução de um ou mais destes fatores

Tempo CPUTempo CPU = = ICIC xx CPICPI xx Período doPeríodo do ClockClock

ProcessadoresProcessadores

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Desempenho RISC x CISCDesempenho RISC x CISC

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Evolução do DesempenhoEvolução do Desempenho

1

10

100

1000

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

DRAM

CPU

35%/year

55%/year

7%/year

ProcessadoresProcessadores

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AplicaçõesAplicações

• Computadores Pessoais • Servidores• Estações de Trabalho• Multiprocessadores• Sistemas embarcados (equipamentos)

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Tamanho da PastilhaTamanho da Pastilha

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Pentium 4Pentium 4

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Nº de TransistoresNº de Transistores

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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AquecimentoAquecimento

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Recursos TecnológicosRecursos Tecnológicos

• Unidade de Inteiro• Unidade de Ponto Flutuante• Unidade de Branch• Memória Cache• Load/Store• MMU (Manager Memory Unit)• Unidade de Despacho• Pipeline/Superescalar• Execução Out-of-Order

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Hyper ThreadingHyper Threading

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Code MorphingCode Morphing

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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ItaniumItanium - 64bits EPIC/CISC

AthlonAthlon - 32bits CISC

TMS 320C8xTMS 320C8x - Multiprocessador 32bits DSP

Power4Power4 - 64bits RISC

Alpha 21464Alpha 21464 - 64bits SMT

PowerPC G4PowerPC G4 - 32bits RISC

UltraSPARC IIIUltraSPARC III - 64bits RISC

R14000R14000 - 64bits RISC

MicroprocessadoresMicroprocessadores

Prof. Edson Pedro FerlinProf. Edson Pedro Ferlin Arquitetura de ComputadoresArquitetura de Computadores

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VR12000VR12000 - 64bits RISC

M3M3 - 32bits CISC

ST PCST PC - 32bits CISC

Sparc64GPSparc64GP - 64bits RISC

SH7750SH7750 - 32bits RISC

Crusoe TM5800Crusoe TM5800 - 128bits VLIW

PA 8700PA 8700 - 64bits RISC

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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SoftwareSoftware

• Firmware• Sistema Operacional• Aplicativos

>>>>> ISA (Instruction Set Architecture) <<<<<

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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CompiladoresCompiladores

Elemento-chave para a obtenção do desempenho

Fonte >>>>> Executável

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Tendências FuturasTendências Futuras

Superscalar

Scalar RISC

Superpipelined

VLIW

CPI

20

10

5.0

2.0

1.0

0.5

0.2

0.1

5 10 20 50 100 200 500 1000MHz

SuperscalarRISC Vector

Supercomputer

100 MIPS

MicroprocessadoresMicroprocessadores

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Futuro dos ProcessadoresFuturo dos Processadores

• Multiprocessadores• Processadores com mais recursos embutidos• Maior velocidade• Redução do consumo

MicroprocessadoresMicroprocessadores

Prof. Edson Pedro FerlinProf. Edson Pedro Ferlin Arquitetura de ComputadoresArquitetura de Computadores