MICROPROCESSADORES - APÊNDICE A
Neste parte do curso iremos abordar um vasto assunto relacionado aos microprocessadores, pois estes podem ser considerados o cérebro ou até mesmo o coração de um microcomputador. É nele que é feito o gerenciamento de todos os recurso disponíveis no sistema. Seu funcionamento é baseado em programas e procedimentos, tudo que acontece em um computador provém da CPU ou UCP, ou seja, Unidade Central de Processamento, também poder ser chamada e referenciada como processador ou microprocessador, no qual é o nosso assunto que iremos ver de agora em diante.
No capítulo 1, poderemos saber quais são os dispositivos que fazem parte de um microprocessador. Com definições claras e objetivas poderemos saber e assimilar o que é uma UAL, um registrador, uma unidade de controle, os termos utilizados para definir conceitos sobre microprocessadores, bem como sua metodologia de linha de montagem, que é chamada Pipeline, que nada mais é que um composto de várias etapas de instruções do microprocessador, de forma seqüêncial (Cap. 1.10).
No capítulo 2, veremos as categorias dos microprocessadores, como os fabricantes começaram a desenvolver essa tecnologia, que até nos dias atuais vem sendo modificada a cada dia.
Em meados de 1978 a Intel fabricante de microprocessadores lança o 8086 um microprocessador duas vezes mais rápido que seu antecessor o 8080, que tinha várias vantagens em relação ao seu antecessor (Cap. 2.5). Desse ponto em diante, começa a evolução dos microprocessadores, de acordo com o surgimento de novas idéias e utilizações a Intel acrescentava nova tecnologia em seu 8086, passando para um processador com vantagens elevadas acima dele. Dessa forma ela vem chegando ao auge, sempre inovando o mundo dos microprocessadores.
Em 1991 foi um ano bastante confuso para os usuários que estavam prestes a adquirir um microcomputador, foi o ano em que a Intel, fabricantes dos processadores Pentium atuais, dava continuidade na sua família de microprocessadores 80x486 (Cap. 2.5) que oferecia na época duas versões, na qual era o 486 SX e o 486 DX que vieram com um desempenho fantástico em relação aos seus antecessores. Na mesma época em que os microprocessadores da Intel reinava absolutamente o domínio da tecnologia de processamento, surgiu os concorrentes AMD e Cyrix, com versões que viriam baratiar os preços, e dar vantagens para nós usuários.
Nos dias atuais os fabricantes estão se inovando a cada dia, tanto a Intel, AMD, Cyrix e a Celeron, uma família de novos processadores da própria Intel (Cap. 2.6) que é uma versão simplificada de um dos microprocessadores da Intel.
Para fechar o nosso assunto, veremos os microprocessadores fabricados e destinados exclusivamente a servidores, máquina de grande porte. Esse microprocessador possui uma tecnologia a qual chamamos de RISC (Cap. 3). Que mais adiante veremos as definições CISC x RISC, bem como seu surgimento, princípios técnicos, arquiteturas e desempenhos.
A primeira característica a considerar num computador é sua unidade central de processamento, que poderá fornecer uma série de indicações sobre o equipamento. A UCP ou CPU (Central Processing Unit), também pode ser chamada de processador ou microprocessador, os quatro termos são equivalentes. Tudo o que acontece num computador provém da UCP, que gerência todos os recursos disponíveis no sistema. Seu funcionamento é coordenado pelos programas, que indicam o que deve ser feito e quando. Basicamente, a UCP executa cálculos muito simples como somas e comparações entre números, mas com uma característica muito especial: uma velocidade extremamente elevada.
A função das UCPs é sempre a mesma. O que as diferenciam é sua estrutura interna e, o mais importante, o fato de cada uma ter seu conjunto de instruções próprio. Ou seja, um programa escrito para uma UCP dificilmente poderá ser executado diretamente em outra - esse é um dos principais motivos da incompatibilidade entre os computadores.
A UCP trabalha diretamente com a memória principal. O conteúdo da memória principal é uma combinação de informações e instruções. As instruções que o processador central pode executar diretamente estão na linguagem de máquina da UCP.
O processamento é feito pela Unidade Central de Processamento utilizando o ciclo busca-execução regulado pelo clock (relógio). A seqüência desse ciclo é:
As atividades realizadas pela UCP podem ser divididas em duas grandes categorias funcionais (Monteiro (1995)):
A UAL é o dispositivo da UCP que executa realmente as operações matemáticas com os dados.
A UAL é um aglomerado de circuitos lógicos e componentes eletrônicos simples que, integrados, realizam as operações já mencionadas. Ela pode ser uma parte pequena da pastilha do processador, usada em pequenos sistemas, ou pode compreender um considerável conjunto de componentes lógicos de alta velocidade. A despeito da grande variação de velocidade, tamanho e complexidade, as operações aritméticas e lógicas realizadas por uma UAL seguem sempre os mesmos princípios fundamentais.
1.2 Registradores
Para que um dado possa ser transferido para a UAL, é necessário que ele permaneça, mesmo que por um breve instante, armazenado em um registrador. Além disso, o resultado de uma operação aritmética ou lógica realizada na UAL deve ser armazenado temporariamente, de modo que possa ser utilizado mais adiante ou apenas para ser, em seguida, transferido para a memória.
Para entender a estes propósitos, a UCP é fabricada com uma certa quantidade de registradores, destinados ao armazenamento de dados. Servem, pois, de memória auxiliar da UAL. Há sistemas nos quais um desses registradores, denominados acumulador, além de armazenar dados, serve de elemento de ligação da UAL com os restantes dispositivos da UCP.
1.3 Unidade de Controle
É o dispositivo mais complexo da UCP. Além de possuir a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e instruções de e para a UCP, através dos sinais de controle que emite em instantes de tempo programados, esse dispositivo controla a ação da UAL. Os sinais de controle emitidos pela UC ocorrem em vários instantes durante o período de realização de um ciclo de instrução e, de modo geral, todos possuem uma duração fixa e igual, originada em um gerador de sinais usualmente conhecido como relógio.
Ao contrário de circuitos integrados mais comuns, cuja função é limitada pelo hardware, a unidade de controle é mais flexível. Ela recebe instruções da unidade de E/S, as converte em um formato que pode ser entendido pela unidade de aritmética e lógica, e controla qual etapa do programa está sendo executado.
1.4 Relógio
É o dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo. A quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em um segundo define a unidade de medida do relógio, denominada freqüência, a qual também usamos para definir velocidade na UCP.
A unidade de medida usual para a freqüência dos relógios de UCP é o Hertz (Hz), que significa 1 ciclo por segundo. Como se trata de freqüências elevadas, abreviam-se os valores usando-se milhões de Hertz, ou de ciclos por segundo (MegaHertz ou simplesmente, MHz). Assim, por exemplo, se um determinado processador funciona como seu relógio oscilando 25 milhões de vezes por segundo, sua freqüência de operação é de 25 MHz. E como a duração de um ciclo, seu período, é o inverso da freqüência, então cada ciclo, neste exemplo, será igual ao inverso de 25.000.000 ou 1/25.000.000=0,00000004 ou 40 nanossegundos.
1.5 Registrador de Instrução (RI)
É o registrador que tem a função específica de armazenar a instrução a ser executada pela UCP. Ao se iniciar um ciclo de instrução, a UC emite o sinal de controle que acarretará a realização de um ciclo de leitura para buscar a instrução na memória, e que, via barramento de dados e RDM, será armazenada no RI.
1.6 Contador de Instrução
É o registrador cuja função específica é armazenar o endereço da próxima instrução a ser 0executada. Tão logo a instrução que vai ser executada seja buscada (lida) da memória para a UCP, o sistema providencia a modificação do conteúdo do CI de modo que ele passe a armazenar o endereço da próxima instrução na seqüência. Por isso, é comum definir a função do CI como sendo a de "armazenar o endereço da próxima instrução", que é o que realmente ele faz durante a maior parte da realização de um ciclo de instrução.
1.7 Decodificador de Instrução
É um dispositivo utilizado para identificar as operações a serem realizadas, que estão correlacionadas à instrução em execução. Em outras palavras, cada instrução é uma ordem para que a UCP realize uma determinada operação. Como são muitas instruções, é necessário que cada uma possua uma identificação própria e única. A unidade de controle está, por sua vez, preparada para sinalizar adequadamente aos diversos dispositivos da UCP, conforme ela tenha identificado a instrução a ser executada.
O decodificador recebe na entrada um conjunto de bits previamente escolhido e específico para identificar uma instrução de máquina e possui 2N saídas, sendo N a quantidade de algarismos binários do valor de entrada.
1.8 Registrador de Dados de Memória - RDM e Registrador de Endereços de Memória - REM
São os registradores utilizados pela UCP e memória para comunicação e transferência de informações. Em geral o RDM possui um tamanho igual ao da palavra do barramento de dados, enquanto o REM possui um tamanho igual ao dos endereços da memória.
1.9 Termos utilizados para definir alguns conceitos sobre microprocessadores
Palavra- Quantidade de bits que é tratada em cada ciclo do processador. Não confundir com BYTE, que é de 8 bits para todos da tabela. Fisicamente, corresponde à quantidade de "fios" da via de dados do processador.
Via de E/S - Quantidade bits acessados a cada ciclo de interação com um dispositivo de E/S (entrada/saída). Via de regra, é igual a uma palavra, mas existem casos em que é igual a ½ palavra, como é o do 8088, e outros que é igual ao dobro do palavra para determinadas operações como num Pentium. Fisicamente, corresponde a quantidade de "fios" da via de E/S do computador.
A unidade de E/S liga o microprocessador aos outros circuitos do computador, transmitindo informações de programa e de dados para os registradores da unidade de controle e da unidade de aritmética e lógica. A unidade de E/S faz uma correspondência entre os níveis de sinal e a sincronização dos circuitos internos de estado sólido do microprocessador com os outros componentes contidos no PC. Por exemplo, os circuitos internos de um microprocessador são projetados para serem econômicos com a eletricidade, de modo a operar mais rápido e gerar menos calor. Esses delicados circuitos internos não são capazes de lidar com as correntes mais altas necessárias para ligação com componentes externos. Consequentemente, cada sinal que sai do microprocessador passa por um buffer de sinal da unidade de I/O, que eleva sua capacidade de lidar com correntes.
A unidade de E/S pode ter apenas alguns poucos buffers ou pode envolver muitas funções complexas. Nos microprocessadores Intel usados mais recentemente em PCs com grande capacidade de processamento, a unidade de E/S inclui o cache de memória e a lógica de duplicação de clock para adequar a alta velocidade operacional do microprocessador a memória externa mais lenta.
Via de endereços- Quantidade de bits que podem ser enviados para representar um endereço de uma posição na memória. Fisicamente, corresponde ao número de "fios" da via de endereços.
Memória RAM - É conseqüência direta da via de endereço. A memória RAM máxima é igual a 2 elevado ao número de bits (fios) da via de endereço. Note que entre o 68020 e o 486 há estruturas com as três características de 32 bits, palavra, entrada/saída e endereçamento.
Clock - Velocidade dos ciclos por segundo que regulam o funcionamento da UCP. Computadores trabalham de acordo com um padrão de tempo, com o qual podem gerenciar as transmissões de informações entre os vários dispositivos do sistema, uma vez que as informações são convertidas em sinais elétricos. Sem um padrão de tempo seria difícil diferente uma informação de outra. Esse padrão de tempo é indicado pela freqüência do clock em MHz - Milhões de ciclos por segundo. Os microprocessadores até o 486 realizavam uma operação básica por ciclo; No Pentium já podem ser até 2 e no PowerPC MPC601 até 3. O clock só é uma indicação precisa da capacidade de processamento quando se compara UCPs iguais ou semelhantes.
MIPS - Milhões de instruções por segundo. Até o início da década era a unidade mais utilizada para indicar capacidade do processamento da UCP. Apesar de criticada, ainda é usada para sistemas. Para os de maior porte, a unidade passou a ser o Mega-flops. A tendência é utilizar outros índices mais complexos.
A capacidade de processamento é função direta do conjunto dessas características: Palavra, barramento (via ou bus), memória, velocidade do clock, capacidade (MIPS ou outro índice), e também de outros fatores como arquitetura do microprocessador, seu conjunto de instruções básica, arquitetura do Sistema e, em especial, como esse conjunto se comporta em cada tipo de aplicação.
É comum durante a vida de um modelo de microprocessador que a sua velocidade seja aumentada com novos modelos; Um exemplo é o 8086, cujos primeiros modelos operam com um clock de 4,77 MHz e alguns anos depois vários fabricantes já o utilizavam com um clock de 8 MHz e depois de 10 MHz. A velocidade do microprocessador começa com o valor recomendado que é, na realidade, o valor mínimo garantido, pela estrutura de projeto do Chip. Com o passar do tempo, novos modelos aumentam esse valor; O 486 tem modelos de 16, 25, 33, 40, 50 e 66 MHz.
1.10 Interrupções
O barramento de controle forma juntamente com o barramento de dados e de endereço o conjunto de barramentos do microprocessador. O barramento de controle armazena uma miscelânea de sinais digitais com diversas finalidades. Alguns exemplos de sinais digitais desse barramento são:
Dentro de um microprocessador, existem vários circuitos que armazenam, transportam e processam dados. Nos microprocessadores 386 e 486, tais circuitos operam com 32 bits de cada vez.
Quanto maior o número de bits internos de um microprocessador, mais veloz poderá realizar cálculos e processamento de instruções em geral. Abaixo são apresentados os limites de números inteiros positivos que podem ser manipulados com 8, 16 e 32 bits:
8 bits 0 a 255
16 bits 0 a 65.535
32 bits 0 a 4.294.967.296
Para que um microprocessador seja rápido, é preciso que ele seja capaz de manipular instruções em alta velocidade. Essas instruções são armazenadas na memória, e portanto, é preciso que a memória seja acessada em alta velocidade. Em conjunto com a execução de instruções, o microprocessador também lê e armazena dados na memória, o que é mais uma razão para que a memória seja rápida. A quantidade de bits que o microprocessador consegue transferir e recuperar da memória está diretamente relacionada com o número de bits externos. Por exemplo, o microprocessador 8088, usado nos primeiros PCs, operava internamente com 16 bits, e externamente com apenas 8. Já com o Pentium, ocorre o inverso: opera internamente com 32 bits e externamente com 64.
1.12 METODOLOGIA DE LINHA DE MONTAGEM OU PIPELINE
Ao descrever o funcionamento da UCP, na realização de seus ciclos de instrução observa-se que, embora o ciclo de instrução seja composto de várias etapas, ele é realizado basicamente de forma seqüencial, isto é, uma etapa se inicia após a conclusão da anterior.
UCPs deste tipo vêm sendo usadas desde as primeiras gerações de computadores, e muitos aperfeiçoamentos tecnológicos foram introduzidos para reduzir o tempo de processamento de uma instrução, entre os quais o aumento tecnológico do relógio e a tecnologia de semicondutor, com seus sucessivos melhoramentos em fabricação e miniaturização.
Uma outra metodologia, usada há muito tempo pelas fábricas de automóvel e por inúmeras outras indústrias, consiste em dividir o processo de fabricação em estágios independentes, que, por isso, podem se superpor uns aos outros, no tempo. Denomina-se linha de montagem ou pipeline. Em computação, a metodologia de construção da UCP composta de estágios permitiu que, também nestes sistemas, se adotasse esta técnica.
A característica principal do processo de "pipelining" reside em duas premissas básicas:
Na realidade, pode não haver muita produtividade em um sistema destes ("pipelining" com 2 estágios), porque:
1.13 EXECUÇÃO PARALELA DE INSTRUÇÕES
Desde os primórdios da computação, os projetistas tentam construir máquinas mais rápidas. Até certo ponto, as máquinas podem ser aceleradas simplesmente aumentando a velocidade do hardware. Infelizmente computadores rápidos produzem mais calor que os lentos e a montagem do computador em um volume pequeno torna difícil a dissipação desse calor. Os supercomputadores são, muitas vezes, submersos em fréon líquido, um refrigerante, para retirar o calor o mais rápido possível. Considerando tudo isso, produzir computadores cada vez mais rápidos está-se tornando cada vez mais difícil, e também cada vez mais caro.
Entretanto, existe outra abordagem. Em vez de uma única CPU de alta velocidade, é possível construir uma máquina com muitas ALUs mais lentas (e mais baratas) ou mesmo CPUs completas para se obter o mesmo poder computacional a um custo menor.
As máquinas paralelas podem ser divididas em três categorias (Flynn IN: Monteiro (1995)), baseando-se no número de fluxos de instruções e de dados que elas têm:
SISD - Single Instruction, Single Data
Fluxo múltiplo de instruções e de dados.
A máquina tradicional de von Neumman é SISD. Ela tem apenas um fluxo de instruções (i. é, um programa), executado por uma única CPU, e uma memória conectando seus dados. A primeira instrução é buscada da memória e então executada. A seguir, a Segunda instrução é buscada e executada.
Máquinas SIMD, ao contrário, operam um múltiplos conjuntos de dados em paralelo. Uma aplicação típica para uma máquina SIMD é a previsão do tempo. Imagine o cálculo da temperatura média diária a partir de 24 médias horárias para muitos locais. Para cada local, exatamente o mesmo cálculo precisa ser feito, porém com dados diferentes.
A terceira categoria de Flynn é a MIMD, na qual CPUs diferentes executam programas diferentes, às vezes compartilhando alguma memória em comum. Por exemplo, no sistema de reserva de passagens aéreas, reservas simultâneas múltiplas não prosseguem em paralelo, instrução por instrução, e assim temos fluxo múltiplo de instrução e fluxo múltiplo de dados.
Outros sistemas multiprocessadores usam não apenas um barramento, mas vários para reduzir a carga. Outros usam ainda uma técnica chamada cache, que consiste em manter as palavras de memória freqüentemente referidas dentro de cada processador.
2.0 Categorias de Microprocessadores:
2.1 8086
Lançado pela Intel em 1978, o 8086 tinha um desempenho dez vezes melhor que seu antecessor o 8080. Seus registradores tinham a largura de 16 bits, o barramento de dados passou de 8 para 16 bits e o barramento de endereços se tornou maior com 20 bits de largura, permitindo assim que fosse controlado mais de 1 milhão de bytes de memória. A memória passou a ser tratada de maneira diferente pois esse processador tratava a mesma como se fosse dividida em até 16 segmentos contendo 64 kilobytes cada, e não permitia que nenhuma estrutura de dados ultrapassasse a barreira entre os segmentos.
2.2 8088
O 8088 surgiu da necessidade em se criar um processador com características parecidas com as do 8086 mas que tivesse um custo menor. Dessa forma, a Intel colocou no mercado um chip que só se diferenciava do 8086 pelo fato de Ter um barramento de dados de 8 bits. Em virtude de sua concepção menos avançada e do baixo custo de produção o 8088 foi escolhido pela IBM, para o projeto de seu computador pessoal, pois, além de possuir o projeto interno de 16 bits também pertencia à mesma linhagem do 8080.
2.3 80286
Comparado com seu antecessor imediato (o 8086), o 80286 apresentava diversas características particularmente adequadas aos computadores pessoais. Seu bus de dados possui 16 bits reais, o mesmo acontecendo com os registradores internos. E ainda foi projetado para trabalhar com maior velocidade, inicialmente 6 MHz, logo ampliados par 8 e, em seguida para 10. Com o tempo, versões deste microprocessador com velocidades de 12,5, 16 e até 20 MHz foram introduzidas pela Intel.
Um dos aspectos mais importantes acabou sendo a maior capacidade de memória do 80286. Ao invés de 20 linhas de endereçamento, o 80286 possuía 24. As quatro linhas adicionais aumentam a quantidade máxima de memória que o chip é capaz de endereçar em 15 megabytes, elevando o total para 16 megabytes.
O 80286 também permitia o uso da memória virtual. Que ao contrário do que se pensa, não se compõe de chips de memória. Ao contrário, as informações ficam armazenadas em outro meio de memória de massa, podendo ser transferidas para a memória física sempre que forem necessárias. Em conseqüência disso, o 80286 é capaz de controlar até 1 gigabyte (1024 Megabytes) de memória total, 16 megabytes físicos, e 1008 megabytes virtuais (Rosch (1993)).
Para manter a compatibilidade com os chips mais antigos, os engenheiros da Intel dotaram o 80286 de dois modos operacionais. O Modo Real reproduzia quase que exatamente o esquema de operação do 8086. A cópia foi tão perfeita que o modo real herdou todas as limitações do 8086, inclusive a barreira de 1 megabyte de memória. Essa restrição era obrigatória para que o 80286 identificasse os endereços de memória da mesma maneira que o 8086.
Para tirar partido dos maiores recursos do tratamento de memória da arquitetura 286, foi criado o Modo Protegido. Embora não fosse compatível com os programas existentes para o 8086, o modo protegido permitia o uso de todos os 16 megabytes de memória real, além de 1 gigabyte de memória virtual, por qualquer programa que fosse escrito especificamente para utilizar esses recursos. No entanto, embora permitisse o uso de mais memória, ele continuava operando com segmentos de memória de 64 kilobytes.
A utilização da palavra "protegido" no nome do modo sugere que ele provê alguma proteção. Isso é correto, pois é possível inicializar as tabelas de segmentos de tal maneira que quando o 80286 é utilizado para um sistema de multiprogramação, cada processo pode ser impedido de acessar segmentos pertencentes a outro processo.
A tabela abaixo, exibe algumas diferenças entre os processadores 8086,
8088 e 80286:
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| 8086 | 16 | 16 | 20 |
| 8088 | 16 | 8 | 20 |
| 80286 | 16 | 16 | 24 |
2.4 80386
A grande evolução nos micros PC se deu na introdução do processador 80386, com ele os fabricantes de processadores, como a Intel tiveram base para seus projetos futuros. No entanto, hoje todos os processadores disponíveis no mercado possuem o funcionamento compatível com o processador 386 [TOR98].
Três características, inovações técnicas, formaram a base para o projeto do processador 386. A primeira delas é que há tantas instruções para ir do modo protegido quanto para voltar ao modo real; a segunda delas é a criação do modo virtual 8086, programas escritos no modo real pudessem ser utilizados diretamente dentro do modo protegido; e por sua vez a terceira característica que se baseia na manipulação de dados a 32 bits o dobro da plataforma anterior. Além disso, estando no modo protegido, o 80386 consegue acessar até 4 GB de memória (RAM) muito mais que qualquer micro necessita. Isto ocorreu em meados dos anos 80, mas somente por volta de 1990 tornaram-se comuns nos PCs que utilizavam este microprocessador.
Além da Intel, vários outros fabricantes produziram microprocessadores 386SX e 386DX. O principal deles foi a AMD. Foram lançadas versões de 16, 20, 25, 33 e 40 MHz.
"A velocidade desses processadores se originou-se de um funcionamento de 16 MHz, embora a primeira possibilidade tenha sido solenemente esnobada pelos projetistas de computadores, para as quais a velocidade nunca é suficiente. Logo após, uma versão de 20 MHz foi colocada no mercado. Em 1988, o limite chegou aos 25 MHz, e logo depois passou para 33 MHz. Atualmente, algumas empresas produzem chips que operam a 40 a 50 MHz." [ROS93]
A Intel lançou o 80386SX como irmão menor do 80386. Internamente, o 80386SX é praticamente idêntico as 80386, com registradores de 32 bits reais e todos os mesmos modos operacionais. Apenas uma diferença significativa separam o 80386 do 80386SX. Em vez de interfacear com um bus de memória de 32 bits, o 80386SX foi projetado para um bus de 16 bits. Seus registradores de 32 bits têm que ser preenchidos e duas etapas a partir de um canal de I/O de 16 bits. Com isso, o 386SX é mais barato para o fabricante, embora no mercado daquela época o seu preço não era tão baixo.
Sempre que citarmos o processador 80386, estamos nos referindo ao modelo 80386DX que o seu sufixo significa "double word" (32 bits), ao contrário do modelo anterior SX representando "single word" (16 bits)
2.5 80486
O processador 80486 foi o sucessor para aplicações mais "pesadas", sendo possível encontra-lo nos PCs no ano de 1991. Com uma versão inicial que operava com um clock de 25 MHz. Dessa maneira, a Intel criou o 486 que na realidade supera muito o desempenho de um 80386DX-25 em duas vezes, apesar de ter apenas seis instruções a mais, mas para que esse desempenho fosse justificado, o processador foi incorporado com circuitos em seu interior como:
"O cache de memória, a partir do 80486 passou a possuir dois caches de memória; um dentro do processador, chamado cache de memória interno de 8 KB; e um na placa-mãe do micro, chamado de cache de memória externo que hoje varia na ordem de 256 KB e 512 KB." [TOR98]
O processador mais barato da família é o 80486SX, disponíveis nas versões de 25 e 33 MHz seguindo a mesma linha que seu processador antecessor. Este microprocessador é uma versão de custo mais acessível, sendo assim, não era dotado do coprocessador matemático interno. Para não haver confusão e manter a padronização, foram usados os mesmos diferenciadores, "DX" para a versão "standard" e "SX" para a versão "econômica", que não tinha coprocessador matemático interno. Portanto, quando citamos a nomenclatura "80486" estamos nos referindo ao 80486DX trabalhando a 32 bits. Um usuário interessado em acrescentar um coprocessador matemático ao 486SX poderia perfeitamente fazê-lo. Bastava adquirir um 487SX, que para todos os efeitos, era o "coprocessador aritmético" do 486SX. As placas de CPU baseadas no 486SX em geral possuíam um soquete pronto para a instalação deste chip. Entretanto, este tipo de instalação não era nada vantajosa do ponto de vista financeiro. Era mais barato adquirir uma placa de CPU equipada com o 486DX. O 486SX tanto foi considerado um erro, que os concorrentes da Intel (AMD e Cyrix) não lançaram microprocessadores equivalentes.
Surgiram o:
O AMD Am 5x86
Esse processador é na verdade, um "486DX5", um 486 com quadruplicação de clock. Tem cache de memória interno de 16 KB e é alimentado por 3,3 V.
Cyrix Cx 5x86
Esse processador é uma versão do processador 6x86 para placas-mãe 486 e por esse motivo, consegue ser mais rápido que o 486DX4, ainda que utilize o mesmo esquema de multiplicação de clock desse processador (triplicação de clock). Tem um cache de memória interno de 16 KB e é alimentado por 3,5 V. Esse processador é um 486DX4 "turbinado".
2.6 PENTIUM
Os microprocessadores Pentium contêm mais de três
milhões de transistores e já incluem co-processador matemático
e memória cache. Operava com 5 volts, e apresentava muito aquecimento,
mas com melhorias no projeto, a Intel permitiu a operação com
3,5 volts, resultando num aquecimento bem menor. Novas versões foram
lançadas como a de 75, 90, 100, 120, 133, 155, 166 e 200 MHz. O Pentium
é um microprocessador de 32 bits, mas com várias características
de 64 bits. Por exemplo: o seu barramento de dados, que dá acesso a memória
é feito a 64 bits por vez, o que significa uma maior velocidade, ele
transporta simultaneamente dois dados de 32 bits. Ao inverso do 486 que era
de 32 bits por vez. A freqüência de operação da placa
mãe é a seguinte:
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| Pentium 75 MHz |
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| Pentium 60, 90, 120,155 MHz |
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| Pentium 60, 100, 133, 166 e 200 MHz |
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A memória cache interna do Pentium(L1) é de 16 KB, sendo dividida em duas, uma de 8 KB para armazenamento de dados e outra de 8 KB para instruções.
A arquitetura é superescalar em dupla canalização, ou seja o Pentium funciona internamente como se fosse dois processadores 486, trabalhando em paralelo. Dessa forma, ele é capaz de processar (2)duas instruções simultaneamente. Os processadores Pentium pode trabalhar em placas-mãe com mais de um processador diretamente, utilizando como conexão o soquete 7.
Inicialmente foi lançado nas versões 150, 180 e 200 MHz. Opera com 32 bits e utiliza memória de 64 bits, da mesma forma como ocorre com o Pentium. Seu projeto foi otimizado para realizar processamento de 32 bits, sendo neste tipo de aplicação mais rápido que o Pentium comum, só que ao realizar processamento de 16 bits perde para o Pentium comum.
O Pentium Pro possui uma memória cache secundária dentro do próprio processador. Com isso, aumenta-se o desempenho do processador, ou seja, a freqüência usada será a mesma de operação interna do processador.
A arquitetura do Pentium Pro é superescalar em tripla canalização, é capaz de executar (3)três instruções simultaneamente.
O núcleo do Pentium Pro é RISC, só que para ele ser compatível com programas existentes, foi adicionado um decodificador CISC na sua entrada. Dessa forma, ele aceita programa CISC, porém os processa em seu núcleo RISC. O Processador do Pentium Pro pode ser utilizado em placas-mãe com dois ou quatro processadores.
Para seu melhor desempenho é usado quantidades elevadas de memória, fazendo que seu uso fosse direcionado para servidores, ao invés de computadores domésticos ou de escritórios.
A conexão utilizada pelo processador é chamada de soquete 8. Esse soquete é bem maior que o soquete 7 utilizado no Pentium Clássico(Pentium Comum).
Visando aumentar o desempenho de programas que fazem processamento de gráficos, imagens e sons, a Intel adicionou ao microprocessador Pentium, 57 novas instruções específicas para a execução rápida deste tipo de processamento, elas são chamadas de instruções MMX (MMX= Multimedia Extensions). Uma única instrução MMX realiza o processamento equivalente ao de várias instruções comuns. Essas instruções realizam cálculos que aparecem nos processamentos de sons e imagens.
As instruções MMX não aumenta a velocidade de execução dos programas, mas possibilita que os fabricante de software criem novos programas, aproveitando este recurso para que o processamento de áudio e vídeo fique mais rápido. Segundo testes( INFO/Fev/97), o ganho de velocidade nessas operações pode chegar a 400%.
O Pentium MMX possui uma memória cache interna de 32 KB e trabalha com níveis duplos de voltagem: externamente a 3,3 volts enquanto o núcleo do processador opera a 2,8 volts. A conexão é feita através do Soquete 7, ou seja, possui o mesmo conjunto de sinais digitais que o Pentium comum.
A freqüência de operação na placa mãe é de 66 MHz.
A memória cache primária(L1) continua sendo 32 KB igual ao Pentium MMX, sendo que a memória secundária(L2) não está mais dentro do processador e sim no próprio cartucho, ao lado do processador.
O Pentium II permite o multiprocessamento de dois processadores. Sua conexão na placa-mãe é feita através do seu conector próprio, chamado de slot 1.
A Intel lançou em abril/98, uma versão especial do Pentium II, chamada de Celeron. Este processador pode ser instalado nas mesmas placas de CPU projetadas para o Pentium II. Nas suas primeiras versões, operava com clock externo de 233 MHz, e clock interno de 66 MHz, e não possuía memória cache secundária(cache de nível 2). Com isto o processador tinha o preço baixo em relação aos concorrentes. O encapsulamento usado em todos os processadores Celeron e do tipo SEPP (Single Edge Processor Package), um novo mecanismo para dissipação do calor, similar ao SEC (Single Edge Contact) só que vem sem o invólucro(cartucho). Sua conexão é feita através do soquete 7.
Hoje já encontramos o microprocessador Celeron de 300 e 330 MHz que são dotados de 128 KB de memória cache secundária(L2) .
O Celeron pode ser considerado um Pentium II Light. O chipset (conjunto de chips que complementam o processador 440EX) criado para ele, é uma versão simplificada dos modelos Pentium II. Sua principal limitação está na capacidade para expansão, micros com esse processador podem ter apenas três conectores PCI e dois conectores para memória. Em compensação, o processador Celeron suporta vídeo AGP, memória do tipo SDRAM e discos UltraATA.
(Obs.: PCs baseados no novo processador Pentium III estarão disponíveis a partir deste mês).
2.7 AMD
A primeira versão de processadores da Cyrix foi o Cx 5x86, concorrente do 486, e possuía desempenho equivalente ao de um Pentium 90 MHz. Com a chegada do 6x86-P200+, a Cyrix começou competir com o Pentium. Por exemplo, na época em que o Pentium mais veloz era o 166 MHz, a Cyrix já produzia o seu 6x86 P200+, com desempenho superior ao de um Pentium 200 MHz.
O próximo processador da Cyrix foi o 6x86 MX-P200+ que se comporta de forma idêntica a um Pentium, possui compatibilidade total, pino a pino, o que significa que podemos instalá-lo em placas de CPU Pentium. Portanto, possui características semelhantes em relação ao barramento de dados e de endereços, além da memória cache interna e do coprocessador matemático.
Versões dos processadores Cyrix:
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| 6x86-P120+ |
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| 6x86-P133+ |
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| 6x86-P150+ |
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| 6x86-P166+ |
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| 6x86-P200+ |
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3. CISC x RISC
O conceito dos processadores RISC é utilizar um conjunto reduzido de instruções de linguagem de máquina (computador com conjunto de instruções reduzido) em contraste com os processadores CISC (computador com conjunto de instruções complexo).
Os primeiros processadores projetados tinham um grande problema que era a produção de software que pudessem rodar nestas máquinas. Era necessário que o programador tivesse conhecimentos profundos sobre o processador que ele ia desenvolver, pois ele tinha que escrever programas em linguagem de máquina pura.
Visto essa dificuldade, os projetistas de hardware desenvolveram uma nova técnica, chamada microprogramação (instruções). Microprogramação nada mais é do que criar novas funções que são adicionadas diretamente no hardware, facilitando assim o trabalho do programador. Novas instruções foram criadas, como por exemplo para tratar de comandos case e multiplicações. Conforme eram percebido novas necessidades, os projetistas criavam novas instruções e o adicionavam ao processador. Foi-se então sobrecarregando os processador com inúmeras instruções, tornando-o complexo, surgindo assim o termo CISC.
A adição de novos microcódigos acaba tornando o processador mais lento. Então os projetistas criavam um modo de aumentar a velocidade do processador para compensar a lentidão resultante dos microcódigos. Mas, está chegando o dia onde não é mais possível aumentar a velocidade dos processadores sem aumentar o tamanho físico.
Um das formas para solucionar problemas era utilizar microcódigos. Havia um outro modo de solucionar esses problemas: a criação de software que pudessem substituir esses microcódigos. Mas, para que isso fosse colocado em prática era necessário a redução da diferença de velocidade entre a memória principal e a CPU, o que tornava inutilizável essa segunda opção.
Em exames feitos em programas que rodam em processadores CISC, foi descoberto que 85 % do programa consiste em apenas três instruções: assinalamentos, comandos if e chamadas de procedimentos. Conclui-se então que é desnecessário a adição de microprogramas que quase ou nunca são utilizados.
Porém, com o tempo, houve um aumento significativo da velocidade das memórias, possibilitando assim a utilização de software em substituição dos microprogramas. Mas existe uma curiosidade, antes da invenção dos microprogramas todos os processadores eram processadores RISC, com instruções simples executadas diretamente no hardware. Depois que a microprogramação tomou conta, os computadores se tornaram mais complexos e menos eficientes. Agora a industria está voltando às suas raízes, e construindo máquinas rápidas e simples novamente.
A descoberta crítica que tornou as máquinas RISC viáveis foi, o que é bastante interessante, uma avanço de software, e não de hardware. Foi o aprimoramento da tecnologia de otimização de compilação que tornou possível gerar microcódigos pelo menos tão bom quanto, se não for melhor, que o microcódigo manuscrito.
Mas, como tudo na vida tem problemas, os processadores RISC também tem as suas desvantagens. Uma delas é na execução de uma multiplicação, em processadores RISC é necessário sintetizar uma série de formas, dependendo dos operandos. Outra desvantagem é, que sem ajuda de hardware especial, máquinas RISC não são boas para cálculos em ponto flutuante.
A primeira máquina RISC moderna foi o minicomputador 801 construído pela IBM, começando em 1975, Entretanto, a IBM não publicou nada a seu respeito até 1982. Em 1980, um grupo em Berkeley, liderado por David Patterson e Carlo Séquin, começou a projetar pastilhas RISC VLSI. Eles criaram o termo RISC e batizaram sua pastilha de CPU de RISC I, seguida de perto pela RISC II. Um pouco mais tarde, em 1981, do outro lado da baía de São Francisco, em Stanfor, John Hennessy projetou e fabricou uma pastilha RISC um pouco diferente, que ele chamou de MIPS.
Esta três máquinas RISC são comparadas a três máquinas
CISC na Tab. 3.1. Cada uma delas levou diretamente a importantes produtos comerciais.
O 801 foi o ancestral do IBM PC/RT, o RISC I foi a inspiração
do projeto SPARC da Sun Microsystems, e a pastilha MIPS de Stanford levou à
formação da MIPS Computer Systems.
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| Modelo de Execução |
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3.1 Princípios técnicos de máquinas RISC
Vamos primeiro apresentar uma breve descrição da filosofia básica de projeto RISC. Projetar uma máquina RISC tem cinco passos básicos:
O próximo passo é projetar as instruções de máquina que façam bom uso da via de dados. Apenas algumas instruções e modos de endereçamento são tipicamente são tipicamente necessários. Instruções adicionais devem apenas ser adicionadas se elas forem freqüentemente utilizadas e não reduzirem o desempenho das mais importantes. A Regra de Ouro número 1 diz:
Sempre que se resolver adicionar uma nova instrução ao processador, ela deve ser examinada sob esta luz: como ela afeta o tempo de ciclo da via de dados? Se ela aumentar o tempo de ciclo, provavelmente não vale a pena tê-la.
Finalmente, o mesmo processo deve ser repetido para todos os outros recursos dentro da CPU, tais como memória cache, gerenciamento de memória, co-processadores de ponto flutuante, e assim por diante.
Máquinas RISC podem diferir de suas concorrente CISC de oito formas
críticas, como listado na Tab. 3.2.
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Instruções simples levando 1 ciclo | Instruções complexas levando múltiplos ciclos |
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Apenas LOADs/STOREs referenciam a memória | Qualquer Instrução pode referenciar a memória |
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Altamente pipelined | Não tem pipeline, ou tem pouco |
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Instruções executadas pelo hardware | Instruções executadas pelo microprograma |
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Instruções com formato fixo | Instruções de vários formatos |
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Poucas instruções e modos | Muitas instruções e modos |
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A complexidade está no compilador | A complexidade está no microprograma |
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Múltiplos conjuntos de registradores | Conjunto único de registradores |
3.2 Uma Instrução por Ciclo da Via de Dados
Em certo sentido, nome Reduced Instruction Set Computer, não é um bom nome. Enquanto é verdade que a maioria das máquinas RISC têm relativamente poucas instruções, a característica única mais importante que as distingue das máquinas CISC é que as instruções RISC são completadas em um único ciclo da via de dados.
Uma conseqüência do princípio de que toda instrução RISC deve gastar um ciclo é que qualquer operação que não possa ser completada em um ciclo não pode ser incluída no conjunto de instruções Assim, muitas máquinas RISC não possuem instruções para multiplicação ou divisão. Na prática, a maioria das multiplicações são formadas por pequenas constantes conhecidas em tempo de compilação, de modo que elas podem ser simuladas por seqüências de somas e deslocamentos. Instruções de ponto flutuante são executadas por um co-processador.
3.3 Arquitetura LOAD/STORE
Dado o desejo de ter toda instrução gastando um ciclo de relógio, é claro que as instruções que referenciam a memória vão ser um problema. Instruções que buscam seus operandos de registradores e armazenam seus resultados em registradores podem ser manipuladas em um ciclo, mas instruções que carregam a partir de ou armazenam em memória levam muito tempo. Aumentar o ciclo de relógio por um fator de dois ou três para acomodar cargas e armazenamentos a viola a Regra de Ouro 1 do projeto RISC.
Como algumas instruções têm que referenciar memória, instruções especiais LOAD e STORE são adicionadas à arquitetura. Apenas estas instruções podem referenciar a memória.
3.4 Pipelining
É claro que proibir que as instruções comuns acessem a memória não resolve o problema de como fazer com que LOADs e STOREs operem em um ciclo. A solução está em um pouco de truque. Vamos agora relaxar nosso objetivos ligeiramente. Em vez de requerer que toda instrução deva ser executada em um ciclo, vamos meramente insistir que seremos capazes de começar uma instrução a cada ciclo, sem levar em consideração quando é que ela termina. Se, em n ciclos, conseguirmos iniciar n instruções, na média teremos atingido uma instrução por ciclo, o que é suficientemente bom.
Para atingir este objetivo modificado, todas as máquinas RISC têm pipeline. A CPU contém diversas unidades independentes que trabalham em paralelo. Uma delas busca as instruções, e outras as decodificam e executam. A qualquer instante, diversas instruções estão em vários estágios de processamento.
Uma instrução comum utiliza duas unidades pipeline, uma para busca e outra para execução. Num instante de tempo uma instrução é iniciada. No outro instante, a instrução iniciada muda de unidade e é executada. Na unidade que ficou livre é iniciado uma nova instrução. Assim mantemos a média, que é iniciar uma instrução a cada ciclo. Porém instruções LOADs e STOREs requer uma terceira unidade, para referenciar a memória. Então, em vez de finalizar a execução em duas unidades, finalizam em três unidades. Na Tab. 3.3, exemplo de uma pipeline em execução.
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| Busca de instrução |
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| Execução de instrução |
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| Referência à memória |
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3.5 Uso de Registrador
O objetivo de toda máquina RISC é executar uma instrução por ciclo, na média. Uma vez que LOAD e STORE tipicamente requerem dois ciclos, está média só pode ser atingida se o compilador tiver sucesso no preenchimento de 100 % dos buracos de atraso depois de cada um deles. Isto leva a raciocinar que, quanto menos LOADs e STOREs existirem, menos serão desperdiçados devido à inabilidade do compilador em preenchê-los com alguma coisa útil.
Por está razão, compiladores para máquinas RISC fazem uso intenso de registradores, para reduzir o tráfego de memória (isto é, o número de LOADs e STOREs). As máquinas RISC possuem substancialmente mais registradores do que máquinas CISC.
3.6 Por que processadores RISC não decolaram?
"Nos anos, alguns engenheiros de RISC ridicularizaram o CISC e predisseram o fim da família x86. Infelizmente para eles, a penalidade por menosprezar os fabricantes (principalmente a Intel) é até maior que a penalidade para não prever corretamente os desvios. Negócios e tecnologia são duas coisas diferentes. o RISC poderia ser tecnicamente superior ao CISC, mas vastos recursos da Intel e o embalo do DOS e do Windows fizeram com que os x86 continuassem competitivos. Agora, a Intel diz que está acabando o combustível do RISC. Será que a Intel poderia estar cometendo o mesmo erro que os fãs de RISC fizeram nos anos oitenta?
É muito cedo para dizê-lo. Porém, é duvidoso que os fabricantes de RISC possam conseguir a mesma quantidade de recursos como os que mantêm os x86 vivos. A arquitetura RISC mais popular (não contando aplicações embutidas) é o PowerPC. E o único usuário em grande quantidade do PowerPC é a Apple, uma companhia que luta para sobreviver. Sem mais usuários, por quanto mais tempo os fabricantes de RISC podem justificar a pesquisa e desenvolvimento caros que são necessários para combater a Intel?" (Halfhill, 1997).
3.7 Algumas informações técnicas sobre processadores RISC
3.7.1 Digital Equipment
O Alpha adota mais de perto a filosofia RISC do que seus concorrentes, ao cortar cada grama de gordura do hardware e do conjunto de instruções em favor do caminho mais veloz possível para os dados. Os projetistas do Alpha acreditam que um clock mais rápido conseguirá o que os outros chips obtêm através de hardware sofisticado. O princípio parece funcionar: lançaram um microprocessador de chip único mais veloz do mundo, com performance com inteiros iguais a três vezes à do Pentium e de FPU superior à do conjunto de chips de supercomputador MIPS.
A família Alpha evita a execução fora de ordem, dependendo, ao invés disso, de compiladores inteligentes capazes de seqüenciar o código de forma a minimizar as paradas na linha de canalização. A família tem quatro unidades de execução (duas de inteiros e duas de ponto flutuante) e pode emitir duas instruções de cada tipo por ciclo. Tem linha de canalização de instruções de quatro estágios que alimenta canais separados para inteiros, ponto flutuante e execução-memória. Comparado com outros chips RISC, o Alpha tem linhas de canalização que são relativamente profundas e simples, para propiciar altas velocidades de clock.
3.7.2 MIPS
O MIPS é dirigido para aplicações mais comuns. A adoção de agendamento dinâmico de instruções, o que reduz a necessidade de recompilar software escrito para processadores de gerações mais antigas, é particularmente benéfica para uma parceria da MIPS, a Silicon Graphics, que tem um catálogo de aplicativos gráfico grandes e complexos.
Os processadores MIPS destacam-se pela previsão dinâmica de ramificações para minimizar paradas na linha de canalização, com até quatro níveis de execução especulativa, utilizando renomeação de registradores para assegurar que nenhum resultado seja escrito nos registradores verdadeiros até que a ramificação seja resolvida. O chip mantém um "mapa sombra" de seus mapeamentos de renomeação de registradores. Na eventualidade de uma ramificação ser prevista erroneamente, ele simplesmente restaura esse mapa, em vez de apagar registradores e esvaziar buffers.
O processador apresenta também um radical esquema de execução fora de ordem. As instruções permanecem na ordem de programa durante os três primeiros estágios da linha de canalização, mas depois disso elas são dispersas para uma entre três filas (que esperam pelas ALUs de inteiros, as FPUs ou a unidade de carga/armazenagem). Essas filas são atendidas em qualquer ordem em que seus recurso fiquem livres.
A ordem de programa é finalmente restaurada pela "graduação" (que é jargão da MIPS para a retirada) da instrução mais antiga. Isso assegura também um preciso relato de exceções. Esse reordenamento de instruções auxiliado por hardware oferece uma grande vantagem para os usuário finais porque o código escrito para as CPUs escalares mais antigas da MIPS ganharão o beneficio quase total de velocidade sem necessidade de recompilação.
O MIPS tem potencial para emitir cinco instruções por ciclo, mas pode trazer e retirar somente quatro; uma quinta não pode ser completada no mesmo ciclo. Entretanto, esse excesso de largura de faixa de despacho oferece oportunidades mais flexíveis para o agendamento de instruções.
3.7.3 Sun Microsystems
Pioneira na adoção da tecnologia RISC, a Sun especificou o SPARC como uma arquitetura escalável. Contém nove unidades de execução: duas ALUs de inteiros, cinco FPUs (duas para adição em ponto flutuante, duas para multiplicação de ponto flutuante e uma para divisão/raiz quadrada em ponto flutuante), uma unidade de processamento de ramificações e uma unidade de carga/armazenagem. Tem previsão dinâmica de ramificações previstas, mas não pode emitir instruções fora de ordem. Depende de compiladores otimizados para ordená-las bem.
3.7.4 Hewlett � Packard (HP)
A HP foi das primeiras a entrar no mercado RISC, lançando o seu primeiro processador PA-RISC de 32 bits em 1986.
Os chips da HP possuem 10 unidades funcionais: duas ALUs de inteiros, duas
unidades de deslocamentos/mescla, duas unidades multiplicar/acumular (MAC) de
ponto flutuante, duas unidades de divisão/raiz quadrada em ponto flutuante
e duas unidades de carga/armazenagem. As unidades MAC têm latência
de três ciclos e são totalmente canalizadas para processamento
em precisão simples para proporcionar até 4 FLOPS por ciclo. As
unidades de divisão tem latência de 17 e não são
canalizadas, mas podem funcionar concorrentemente com as MACs.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os microprocessadores evoluíram de uma maneira tão rápida
que a Informática se firma como uma "ciência" mutante, sofrendo
constantes alterações. Essas mudanças freqüentes tornam
a Informática muito dinâmica. Com essa velocidade de alterações
os fabricantes de software e hardware desenvolveram produtos para utilizarem
os recursos que esses processadores fornecem associado ao lado do o processador
ser a peça mais importante em um computador.
Esses processadores evoluíram de tal maneira que bits que eram trafegados em barramentos de 8 bits hoje trafegam em velocidades bem superiores o mesmo acontecendo com os registradores internos que tinham 16 bits, clock´s e memória cache que a principio os primeiros processadores não possuíram. Isso sem frisar muito a velocidade de clock que tornam a execução de programas mais rápida junto com memórias apropriadas.
Com toda essa pesquisa feita, chegamos a um ponto comum que a tecnologia de processadores é o carro chefe da Informática e as empresas e os usuários finais ainda vão usufruir muito de uma tecnologia que o homem está sempre superando. Para cada vez executar programas no menor espaço de tempo.
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Montando e personalizando o seu PC: Co-Processador Aritmético. Trad.
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