MICROPROCESSADORES

Todos os computadores pessoais, e um número crescente de equipamentos mais poderosos, se baseiam num tipo especial de circuito eletrônico chamado de microprocessador. Chamado também de “computador num chip”, o microprocessador moderno é formado por uma camada de silício, trabalhada de modo a formar um cristal de extrema pureza, laminada até uma espessura mínima com grande precisão, e depois cuidadosamente poluída pela exposição a altas temperaturas em fornos que contém misturas gasosas de impurezas.

Histórico 

1971  - 4004 - Primeiro microprocessador de uso geral, fabricado pela Intel Corporation 4 BITs 1972  8008 - Atualização do 4004 com mais BITs por registrador, fabricado pela Intel Corporation 8BITs

1974  - 8080 - Possuía  um set  de comandos  mais rico, fabricado pela Intel Corporation  8 BITs Z80  

          - 8080 aperfeiçoado, fabricado pela Zilog Corporation - 8 BITs.

1978  - 8086 - Duplicava mais uma vez a quantidade de registradores e aumentava as linhas de endereços - 16 BITs

          - 8088 - Idêntico ao 8086 exceto o BUS que foi reduzido para - 8BITs.

1984  - 80286 - Projeto para funcionar mais rapidamente, inicialmente 6 Mhz - 16 BITs

1985  - 80386 - Ele oferece mais velocidade, mais capacidade e mais versatilidade do que todos os microprocessadores fabricados até então - 32 BITs

1991  - 80486 - Com menos ciclos de máquinas consegue executar mesma instrução que as versões anteriores. -  32 BITs

1993  - PENTIUM - Maior velocidade e conceito de instruções aperfeiçoadas - 32 BITs

Co-processadores

Os Co-processadores são na realidade microprocessadores de utilização e função específica, como por exemplo: cálculos matemáticos complexos, formação de imagens de alta resolução, etc.

O microprocessador executa as atribuições operacionais e dedica ao co-processador as tarefas mais pesadas, distribuindo as funções o desempenho global aumenta muitas vezes, possibilitando a operação com softwares mais complexos com maior rapidez.

Os Co-processadores mais comuns são os numéricos, eles fazem com que as operações de multiplicação e divisão se tornem cerca de 80% mais rápidas, as operações de soma e subtração não são afetas por serem eficientemente executadas pelo microprocessador central.

Outra característica como a independência da velocidade do clock aumenta o desempenho global sem influenciar o funcionamento isolado do microprocessador.

Tipos de co-processadores numéricos

A família Intel conta com quatro co-processadores numéricos principais: o 8087, o 80287, o 80387 e o 80287SX. Cada um deles foi projetado para operar em conjunto com um determinado microprocessador da família Intel 8086.

Como os Processadores Funcion

Apesar de cada microprocessador ter seu próprio desenho interno, todos os microprocessadores compartilham do mesmo conceito básico – o qual explicaremos neste tutorial. Daremos uma olhada dentro da arquitetura de um processador genérico, para que assim você seja capaz de entender um pouco mais sobre os produtos da Intel e da AMD, bem como as diferenças entre eles.

O processador – que também é chamado de microprocessador, CPU (Central Processing Unit) ou UCP (Unidade Central de Processamento) – é o encarregado de processar informações. Como ele vai processar as informações vai depender do programa. O programa pode ser uma planilha, um processador de textos ou um jogo: para o processador isso não faz a menor diferença, já que ele não entende o que o programa está realmente fazendo. Ele apenas obedece às ordens (chamadas comandos ou instruções) contidas no programa. Essas ordens podem ser para somar dois números ou para enviar uma informação para a placa de vídeo, por exemplo.

Quando você clica duas vezes em um ícone para rodar um programa, veja o que acontece:

1. O programa, que está armazenado no disco rígido, é transferido para a memória. Um programa é uma série de instruções para o processador.
2. O processador, usando um circuito chamado controlador de memória, carrega as informações do programa da memória RAM.
3. As informações, agora dentro do processador, são processadas.
4. O que acontece a seguir vai depender do programa. O processador pode continuar a carregar e executar o programa ou pode fazer alguma coisa com a informação processada, como mostrar algo na tela.

Figura 1: Como a informação armazenada é transferida para o processador.

No passado, o processador controlava a transferência de informações entre o disco rígido e a memória RAM. Como o disco rígido é mais lento que a memória RAM, isso deixava o sistema lento, já que o processador ficava ocupado até que todas as informações fossem transferidas do disco rígido para a memória RAM. Esse método é chamado PIO (Programmed Input/Output - Entrada/Saída Programada). Hoje em dia a transferência de informações entre o disco rígido e a memória RAM é feita sem o uso do processador, tornando, assim, o sistema mais rápido. Esse método é chamado bus mastering ou DMA (Direct Memory Access - Acesso Direto à Memória). Para simplificar nosso desenho, não colocamos o chip da ponte norte entre o disco rígido e a memória RAM na Figura 1, mas ele está lá. Caso deseje saber mais sobre esse assunto, nós já escrevemos um tutorial sobre isso.

Processadores da AMD baseados nos soquetes 754, 939 e 940 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Opteron e alguns modelos de Sempron) possuem controlador de memória embutido. Isso significa que para esses processadores a CPU acessa a memória RAM diretamente, sem usar o chip da ponte norte mostrado na Figura 1.
 

Clock

Afinal, o que vem a ser clock? Clock é um sinal usado para sincronizar coisas dentro do computador. Onde mostramos um típico sinal de clock: é uma onda quadrada passando de “0” a “1” a uma taxa fixa. Nessa figura você pode ver três ciclos de clock (“pulsos”) completos. O início de cada ciclo é quando o sinal de clock passa de “0” a “1”; nós marcamos isso com uma seta. O sinal de clock é medido em uma unidade chamada Hertz (Hz), que é o número de ciclos de clock por segundo. Um clock de 100 MHz significa que em um segundo existem 100 milhões de ciclos de clock.

Figura 2: Sinal de clock.

No computador, todas as medidas de tempo são feitas em termos de ciclos de clock. Por exemplo, uma memória RAM com latência “5” significa que vai levar cinco ciclos de clock completos para começar a transferência de dados. Dentro da CPU, todas as instruções precisam de um certo número de ciclos de clock para serem executadas. Por exemplo, uma determinada instrução pode levar sete ciclos de clock para ser completamente executada.

No que diz respeito ao processador, o interessante é que ele sabe quantos ciclos de clock cada instrução vai demorar, porque ele tem uma tabela que lista essas informações. Então se há duas instruções para serem executadas e ele sabe que a primeira vai levar sete ciclos de clock para ser executada, ele vai automaticamente começar a execução da próxima instrução no 8o pulso de clock. É claro que esta é uma explicação genérica para um processador com apenas uma unidade de execução – processadores modernos possuem várias unidades de execução trabalhando em paralelo e podem executar a segunda instrução ao mesmo tempo em que a primeira, em paralelo. A isso chamamos arquitetura superescalar e falaremos mais a esse respeito mais tarde.

Então o que o clock tem a ver com desempenho? Pensar que clock e desempenho são a mesma coisa é o erro mais comum acerca de processadores.

Se você comparar dois processadores completamente idênticos, o que estiver rodando a uma taxa de clock mais alta será o mais rápido. Neste caso, com uma taxa de clock mais alta, o tempo entre cada ciclo de clock será menor, então as tarefas serão desempenhadas em menos tempo e o desempenho será mais alto. Mas quando você compara dois processadores diferentes, isso não é necessariamente verdadeiro.

Se você pegar dois processadores com diferentes arquiteturas – por exemplo, de dois fabricantes diferentes, como Intel e AMD – o interior deles será completamente diferente.

Como dissemos, cada instrução demora um certo número de ciclos de clock para ser executada. Digamos que o processador “A” demore sete ciclos de clock para executar uma determinada instrução, e que o processador “B” leve cinco ciclos de clock para executar essa mesma instrução. Se eles estiverem rodando com a mesma taxa de clock, o processador “B” será mais rápido, porque pode processar essa instrução em menos tempo.

E há ainda muito mais no jogo do desempenho em processadores modernos, pois processadores têm quantidades diferentes de unidades de execução, tamanhos de cache diferentes, formas diferentes de transferência de dados dentro do processador, formas diferentes de processar instruções dentro das unidades de execução, diferentes taxas de clock com o mundo exterior, etc. Não se preocupe, pois nós falaremos sobre tudo isso neste tutorial.

Como o sinal de clock do processador ficou muito alto, surgiu um problema. A placa-mãe onde o processador é instalado não podia funcionar usando o mesmo sinal de clock.Se você olhar para uma placa-mãe, verá várias trilhas ou caminhos. Essas trilhas são fios que conectam vários circuitos do computador. O problema é que, com taxas de clock mais altas, esses fios começaram a funcionar como antenas, por isso o sinal, em vez de chegar à outra extremidade do fio, simplesmente desaparecia, sendo transmitido como onda de rádio.