Arquitetura de computadores Módulo 4, Curso Profissional Técnico de Gestão e Programação de Sistemas informáticos.

1. Arquitetura de Computadores
Módulo 4 – Arquitetura de Microprocessadores
(24 Horas)
2014-15
Curso Profissional de Técnico de Gestão e Programação de Sistemas Informáticos
Prof. Luis Folgado Ferreira
http://lanapt.com

2. Índice
• Apresentação.
• 1. Principais componentes de um microprocessador.
• 2. Evolução das arquiteturas de microprocessadores.
• 3. Arquitetura de um sistema tipo.
• 4. Tipos de dados.
• 5. Organização de memória.
• 6. Tipos de endereçamento.
• 7. Ligação com o exterior.

3. Microprocessador
Conceito
• O microprocessador, popularmente chamado
de processador é um circuito integrado que
realiza as funções de cálculo e as decisão de
um computador.
• Todos os computadores e equipamentos eletrónicos baseiam-se nele para
executar suas funções.

4. Microprocessadores
Exemplo da
Arquitetura interna de
um microprocessador
dedicado para
processamento de
imagens de ressonância
magnética.
A fotografia foi aumentada 600 vezes,
sob luz ultravioleta para se conseguir
ver os detalhes.

5. Microprocessadores
Arquitetura
Vista inferior de um
AMD Athlon XP 1800+
núcleo Palomino, um
microprocessador
moderno.

6. Microprocessadores
Arquitetura
Vista de um
Intel Core i7 de
4ª geração.

7. Microprocessadores
Arquitetura
• O microprocessador moderno é um circuito integrado
formado por uma camada de silício, trabalhada de
modo a formar um cristal de extrema pureza, laminada
até uma espessura mínima com grande precisão,
depois cuidadosamente mascarada por um processo
fotográfico e exposta a altas temperaturas em fornos
que contêm misturas gasosas de impurezas.
• Este processo é repetido tantas vezes quanto
necessário à formação da microarquitectura do
componente.

9. Microprocessadores
Vídeo
http://youtu.be/d9SWNLZvA
8g
Arquitetura 22mm

10. Fotomicrografia de um chip equivalente
ao Pentium IV aumentada 2400 vezes

11. Microprocessadores
• Responsável pela execução das instruções num
sistema, o microprocessador, escolhido entre os
disponíveis no mercado, determina, em certa medida a
capacidade de processamento do computador e
também o conjunto primário de instruções que ele
compreende.
• Mas o desempenho global depende de outros fatores
também.
• O sistema operativo é construído sobre este conjunto.

12. O CPU

13. As unidades de um microprocessador
• A ALU(Aritmetic and Logical Unit), unidade
responsável pelos cálculos aritméticos e
lógicos;
• Os registos são parte integrante do
microprocessador na família x86, por
exemplo.(memória central);
• Unidade de Controlo - UC

14. Estrutura básica de um microprocessador

15. Vídeos e referências
• https://www.youtube.com/watch?v=cNN_tTX
ABUA

16. Evolução das
arquiteturas de
microprocessadores

17. Microprocessadores
Pré-x86 4004 • 4040 • 8008 • 8080 • 8085

18. Microprocessadores
• Embora seja a essência do computador, o
microprocessador diferente do micro controlador,
está longe de ser um computador completo. Para
que possa interagir com o utilizador precisa de:
memória, dispositivos de entrada e saída, um
clock, controladores e conversores de sinais entre
outros.
• Cada um desses circuitos de apoio interage de
modo peculiar com os programas e, dessa forma,
ajuda a moldar o funcionamento do computador.

19. História
• O primeiro microprocessador comercial foi
inventado pela Intel em 1971 para atender a
um fabricante de calculadoras japonês que
precisava de um circuito integrado especial.
• A Intel projetou o i4004 que era um circuito
integrado programável que trabalhava com
registos de 4 bits, 46 instruções, clock de
740Khz e possuía cerca de 2300 transístores.

20. • O processador Intel 4004 é uma Unidade Central de Processamento
com 4-bits. Fabricado pela Intel Corporation em 1971, foi o primeiro
microprocessador em um chip simples, assim como o primeiro
disponível comercialmente.
• Embora projetado originalmente para ser um componente de
calculadoras, o 4004 logo encontrou muitos usos. A Intel iniciou um
processo que logo fez alguns outros fabricantes de chips a embarcar
em projetos para desenvolverem firmemente os microprocessadores
mais capazes, o que gerou a tendência que criou as indústrias
multimilionárias dos microprocessadores e dos microcomputadores
catuais.

21. História
• Percebendo a utilidade desse invento a Intel
prosseguiu com o desenvolvimento de novos
microprocessadores: 8008 (o primeiro de 8
bits) e a seguir o 8080 e o microprocessador
8085.
• O 8080 foi um grande sucesso e tornou-se a
base para os primeiros microcomputadores
pessoais na década de 1970 graças ao sistema
operacional CP/M.

22. CP/M

23. História
• Da Intel saíram alguns funcionários que fundaram a
Zilog, que viria a lançar o microprocessador Z80, com
instruções compatíveis com o 8080 (embora muito
mais poderoso que este) e também de grande sucesso.
A Motorola possuía o 68000 e a MOS Technology o 6502.
• Todos esses microprocessadores de 8 bits foram
usados em muitos computadores pessoais (Bob
Sinclair, Apple, TRS, Commodore, etc.).

24. História
• Em 1981 a IBM (International Business Machines)
decidiu lançar-se no mercado de computadores
pessoais. O seu IBM-PC utilizou um dos primeiros
microprocessadores de 16 bits, o 8088 (derivado
do seu irmão 8086 lançado em 1978) que viria a
ser o avô dos computadores catuais.
• A Intel foi lançando melhoramentos na sua linha
80X86: 8086, 8088, 80186, 80188, 80286, 80386,
80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX,
Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium M,
Pentium D e Pentium Dual Core.

25. História
• Como grande concorrente da Intel, a AMD (Advanced Micro
Devices) aparece inicialmente como fabricante de
microprocessadores da linha x86 alternativa mas a partir de um
certo momento deixou de correr atrás da Intel e partiu para o
desenvolvimento de sua própria linha de microprocessadores: K6,
Athlon, Duron, Turion, Sempron, etc.
• Paralelamente à disputa entre Intel e AMD, a IBM possuía a linha
PowerPC utilizada principalmente pelos microcomputadores da
Apple

26. História
• A evolução tecnológica envolvida é
surpreendentemente grande, de microprocessadores
que trabalhavam com clock de dezenas de kHz e que
podiam processar alguns milhares de instruções por
segundo, atingiu-se clocks na casa dos 4GHz e poder de
processamento de dezenas de bilhões de instruções
por segundo.
• A complexidade também cresceu: de alguns milhares
de transístores para centenas de milhões de
transístores numa mesma pastilha.

27. Ficha de Trabalho 1
• Realiza uma apresentação em PowerPoint que
represente a evolução dos
microprocessadores ao longo da sua história.

28. Balanço da Matéria
• Apresentação.
• 1. Principais componentes de um microprocessador.
• 2. Evolução das arquiteturas de microprocessadores.
• 3. Arquitetura de um sistema tipo.
• 4. Tipos de dados.
• 5. Organização de memória.
• 6. Tipos de endereçamento.
• 7. Ligação com o exterior.

29. Microprocessadores
• O processador é composto por alguns
componentes, cada um tendo uma função
específica no processamento dos programas:
– Unidade Lógica e Aritmética(ULA);
– Unidade de Controle(UC);
– Registos;
– Memory Management Unit;
– Unidade de ponto flutuante.

30. Microprocessadores
• A Unidade Aritmética e Lógica (UAL) é a
responsável por executar efetivamente as
instruções dos programas, como instruções
lógicas e matemáticas.
• Unidade de controle (UC) é responsável pela
tarefa de controlo das ações a serem
realizadas pelo computador, comandando
todos os outros componentes.

31. Microprocessadores
• Os registos são pequenas memórias velozes
que armazenam comandos ou valores que são
utilizados no controle e processamento de
cada instrução.
• Os registos mais importantes são:
– Contador de Programa (PC) – Sinaliza para a
próxima instrução a ser executada;
– Registo de Instrução (IR) – Regista a execução da
instrução;

32. Microprocessadores
• Unidade de ponto flutuante nos
processadores atuais são implementadas
unidades de cálculo de números reais.
• Tais unidades são mais complexas que UALs e
trabalham com operandos maiores, com
tamanhos típicos variando entre 64 e 128 bits.

33. Arquiteturas
• Existem duas principais arquiteturas usadas
em processadores:
1. A arquitetura de Von Newmann;
2. A arquitetura de Harvard.

34. Arquitetura de Von Newmann
• Esta arquitetura caracteriza-se por apresentar
um barramento externo compartilhado entre
dados e endereços. Embora apresente baixo
custo, esta arquitetura apresenta desempenho
limitado pelo gargalo do barramento.

35. Arquitetura de Von Newmann

36. Arquitetura de Harvard
• A Arquitetura de Harvard baseia-se em um
conceito mais recente que a de Von-
Neumann, tendo vindo da necessidade de por
o microcontrolador para trabalhar mais
rápido.

37. Arquitetura de Harvard
• É uma arquitetura de computador que se
distingue das outras por possuir duas memórias
diferentes e independentes em termos de
barramento e ligação ao processador.
• Utilizada nos microcontroladores PIC (Peripheral
Interface Controller), tem como principal
característica aceder à memória de dados
separadamente da memória de programa.

38. Arquitetura de Harvard
A principal vantagem dessa arquitetura é que a leitura de instruções e de alguns
tipos de operandos pode ser feita ao mesmo tempo em que a execução das
instruções.
Isso significa que o sistema fica todo o tempo executando instruções, o que
acarreta um significativo ganho de velocidade.

39. Tipos de Microprocessadores
• Microprocessadores PC— São utilizados nos
computadores pessoais, onde são chamadas
de Unidade Central de Processamento (CPU),
workstations e mainframes. Podem ser
programados para executar as mais variadas
tarefas.

40. Tipos de
Microprocessadores
Um micro controlador,
um exemplo de
microprocessador.

41. Tipos de Microprocessadores
• Processadores Digitais de Sinal (DSP do inglês
Digital Signal Processor) — especializados em
processamento digital de sinal usados para
processar sinais de áudio, vídeo, etc., quer em
tempo real quer em off-line. Estão presentes,
por exemplo, em aparelhos de CD, DVD e
televisores digitais. Em geral, realizam sempre
uma mesma tarefas simples.

42. Tipos de Microprocessadores
• Micro controladores — Processadores
relativamente flexíveis, de relativo baixo
custo, que podem ser utilizados em projetos
de pequeno tamanho.
• Podem trazer facilidades como conversores
A/D embutidos, ou um conjunto de instruções
próprias para comunicação digital através de
algum protocolo específico.

43. Tipos de Microprocessadores
• GPU — ou Unidade de Processamento
Gráfico), é um microprocessador especializado
em processar gráficos. São utilizadas em
placas de vídeo para fazer computação gráfica.

44. Tipos de
Microprocessadores
GPU

45. • Módulo 4 - Arquitectura de
Microprocessadores
• A ligação dos
microprocessadores com o
exterior.

46. Ligação com o exterior
• Um processador também precisa ser capaz de
comunicar-se com o mundo exterior.
• Neste mundo exterior está o utilizador que
trabalha no PC.

48. Ligação com exterior
• É preciso ler dados provenientes do teclado,
mouse e outros dispositivos de entrada, bem
como transferir dados para o vídeo,
impressora e outros dispositivos de saída.
• Essas operações são chamadas de “entrada e
saída”, ou E/S (em inglês, Input/Output, ou
I/O).

49. Ligação com o exterior
• Portanto, além de processar dados, um
processador deve ser capaz de realizar
operações de entrada e saída, bem como
realizar leituras e gravações na memória.

50. Ligação com o Exterior
• A ligação entre o microprocessador por um
lado e a memória e os circuitos periféricos por
outro é efectuada através de três conjuntos
distintos de ligações eléctricas, denominados
"bus" e que são:
• O bus de dados, que permite a transferência
de dados entre o microprocessador e quer a
memória quer os periféricos;

51. O bus de endereço
• O bus de endereço que permite ao
microprocessador seleccionar a posição de
memória sobre a qual quer efectuar uma
operação de escrita ou leitura;

52. O bus de comando
• O bus de comando que permite ao
microprocessador escolher entre a memória e os
periféricos para operações de escrita ou leitura
assim como o tipo de operação a realizar.
• O bus de comando permite ainda aos periféricos
interromperem a actividade normal do
microprocessador de modo a que este execute as
operações necessárias à satisfação do periférico
que emitiu o sinal de interrupção.

53. O bus de Dados
• Nos microprocessadores mais simples o bus
de dados é constituído por quatro ou oito
linhas distintas dizendo-se por isso que é um
microprocessador de quatro ou oito bits, isto
porque cada linha pode transportar um sinal
eléctrico que só pode ter um de dois valores
de tensão distintos a que correspondem os
valores numéricos em numeração binária 0 e
1.

54. O relógio
• O microprocessador necessita também de um
sinal periódico chamado sinal de relógio,
gerado externamente, que irá definir a
cadência de execução do programa pelo
microprocessador.

55. O relógio
• A frequência desse sinal periódico tem de
estar ajustada às especificações do
microprocessador e encontram-se valores
entre alguns Megahertz para os
microprocessadores mais simples até alguns
Gigahertz para os microprocessadores mais
modernos.

56. Referências
• http://www.laercio.com.br/artigos/hardware/
hard-009/hard-009.htm