Aula 10 – Processadores de Propósito
Geral
Anderson L. S. Moreira
[email protected]
http://dase.ifpe.edu.br/~alsm
Anderson Moreira
Arquitetura de Computadores
1
O que fazer com essa apresentação
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Arquitetura de Computadores
2
O que é um microprocessador?
Máquina completa de computação embutida em um
único chip
Primeiro microprocessador foi
o Intel 4004 (1971). O 4004
não era muito poderoso, já
que ele só podia somar e
subtrair 4 bits por vez.
Mesmo assim, era incrível ver
tudo isso em um único chip
naquela época.
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Arquitetura de Computadores
Introdução
•
Computadores do tipo IBM-PC são os mais populares e mais
difundidos mundialmente;
•
São usados preferencialmente no estudo de arquitetura de
computadores;
•
Intel 8086:
– Lançado em 78 foi o primeiro a utilizar 16 bits de largura;
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Arquitetura de Computadores
Microprocessador
Primeiro microprocessador de um computador
pessoal foi o Intel 8080;
Era um computador de 8 bits completo dentro de
um chip (1974);
Primeiro microprocessador que se tornou
realmente popular foi o Intel 8088 (1979) e
incorporado em um PC IBM - que apareceu em
1982.
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Arquiteturas
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Arquiteturas
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Arquitetura de Computadores
Arquiteturas - CISC
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Arquitetura de Computadores
Arquiteturas - RISC
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Arquiteturas - RISC
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Arquitetura do Pentium
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Arquitetura do Pentium
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Registradores do 8086/8088
•
Possuem 8 registradores de uso geral:
– 4 de dados: AX, BX, CX, DX;
– 4 registradores de endereços: SP, BP, SI, DI;
•
4 registradores de segmentos:
– CS, DS, SS, ES.
•
1 apontador de instruções (IP);
•
1 registrado de flags (F).
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Registradores do 8086/8088
15
8 7
0
AX
BX
AH
AL
CX
BH
BL
CH
CL
DH
DL
DX
acumulador
base
contador
dado
SP
BP
ponteiro para pilha
ponteiro base
SI
índice fonte
DI
índice destino
apontador de instruções
flags
IP
Flags
CS
DS
segmento de código
segmento de dados
SS
segmento de pilha
ES
segmento extra
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Registradores de dados
•
Os quatro registradores de dados são denominados A, B, C, D:
– A = acumulador
– B = base
– C = contador
– D = dados
•
Quando usados como registradores de 16 bits acrescenta o “X”
– Quando usados para 8 bits ganha o “H” (High) e o “L” (Low)
para indicar o byte dentro da palavra;
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Registradores de endereço
•
Acessam operandos da memória:
– SP – ponteiro da pilha (stack pointer)
– BP – ponteiro base (base pointer)
– SI – índice de operando fonte (source index)
– DI – índice de operando destino (destination
index)
•
Registradores SP e BP são usados para operações na
pilha
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Registradores de segmentos
•
•
•
A memória do 8086 é dividida em unidades lógicas chamadas
segmentos;
Cada segmento tem 64 Kbytes de comprimento;
– Processador acessa 4 segmentos de cada vez através de 4
registradores de segmentos;
Os registradores armazenam os 16 bits mais significativos do
endereço de 20 bits;
– Endereço base é sempre múltiplo de 16;
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Evolução dos microprocessadores - Intel
Nome
Data
Transistores
Mícron
s
Velocidade do
clock
Largura de
dados
MIPS
8080
1974
6.000
6
2 MHz
8 bits
0,64
8088
1979
29.000
3
5 MHz
16 bits
8-bit bus
0,33
80286
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-bit bus
100
Pentium II
1997
7.500.000
0,35
233 MHz
32 bits
64-bit bus
~300
Pentium III
1999
9.500.000
0,25
450 MHz
32 bits
64-bit bus
~510
Pentium 4
2000
42.000.000
0,18
1,5 GHz
32 bits
64-bit bus
~1,700
Pentium 4
"Prescott"
2004
125.000.000
0,09
3,6 GHz
32 bits
64-bit bus
~7,000
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Dentro de um Microprocessador
Para entender o
funcionamento de um
microprocessador, temos de
entender a lógica utilizada
para se criar um;
Neste processo, vamos
aprender um pouco de
linguagem assembly (a língua
nativa de um
microprocessador).
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Funcionamento
Um microprocessador executa uma série de
instruções de máquina que dizem a ele o que fazer.
As três funções básicas de um processador são:
Utilizando ULA, o microprocessador pode
executar operações matemáticas como adição,
subtração, multiplicação e divisão;
Um microprocessador pode mover dados de um
endereço de memória para outro;
Pode tomar decisões e desviar para um outro
conjunto de instruções baseado nestas decisões.
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Diagrama de Funcionamento
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Modos de endereçamento 8086
Modo
Significado
Imediato
Operando na instrução
Registrador
Operando em registrador
Direto
Operando na memória, endereçado por
deslocamento contido na instrução
Registrador
indireto
Operando na memória, endereçado por
deslocamento contido em registrador
Indexado (ou
base)
Operando na memória, endereçado pela
soma do registrador de índice (ou base) com
o deslocamento contido na instrução
Base e
indexado com
deslocamento
Operando na memória, endereçado pela
soma do registrador de índice com o
conteúdo do registrador base e com o
deslocamento contido na instrução.
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Modos de endereçamento 8086
•
•
•
•
•
O endereço final de um operando é formado pela soma do
registrador de segmento (estendido para 20 bits) com o endereço
efetivo fornecido pelo modo de endereçamento;
Exemplo com instrução ADD (soma) → primeiro operando = primeiro
operando + segundo operando;
Imediato:
– ADD CH, 5F
Registrador:
– ADD BX, DX
Direto:
– ADD WVAR, BX
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Modos de endereçamento 8086
–
Registrador indireto:
ADD CX, [BX]
Indexado:
ADD [SI+6], AL
Base e indexado com deslocamento
ADD [BX+DI+5], DX
•
–
•
–
•
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Modos de Endereçamento
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Modos de Endereçamento
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Modos de Endereçamento
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Modos de Endereçamento
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Modos de Endereçamento
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Detalhes
Microprocessadores Intel
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Intel 80286
•
•
•
•
•
Primeiros modelos operavam a 6 MHz, depois passaram para 8, 10,
12,5 e 16 MHz;
Internamente possui 4 unidades de processamento separadas
operando em paralelo;
– EU – unidade de execução de instruções
– BU – unidade de acesso e controle do barramento (dados e
instruções)
– IU – unidade de decodificações de instruções
– AU – unidade de formação de endereços (cálculo de endereço
físico)
286 a 6 MHz = 5X 8086 a 4,77 Mhz
Capacidade de gerenciar até 1GB de memória virtual;
Dois modos de operação modo real e modo protegido.
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Intel 80386
•
•
•
•
•
•
•
Apresenta características de mainframes em computadores pessoais:
– Memória virtual, multiprogramação e multitarefa.
Vantagem: poder executar programas do 8086 sem sair do modo
protegido;
Arquitetura de 32 bits (registradores de 32 bits);
Barramento externo de endereço: 30 bits;
Barramento externo de dados: 32 bits configuráveis para 16 bits;
Suporte de até 64 Tbytes de memória virtual;
Proteção de memória.
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Intel 80386
•
Apresenta 6 unidades de processamento:
– EU – unidade de execução
– BU – unidade de acesso e controle do barramento
– IU – unidade de decodificações de instruções
– PU – unidade de pré-busca
– PgU – unidade de formação de endereços (paginação)
– SU – unidade de formação de endereços (segmentos)
•
Duas últimas responsáveis pelo gerenciamento de memória virtual
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Intel 80486
•
•
•
•
Cache interna de 8 Kbytes;
FPU com as mesmas funções de um coprocessador 8087;
Acesso à memória em modo rajada (simultânea);
Processador disponível em 4 modelos básicos:
– DX
– SX
– DX2
– DX4
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Pentium
•
•
•
•
•
Primeiro com barramento de 64 bits;
Suporta implementação de protocolo de coerência
de cache em ambiente multiprocessado;
Dois pipelines para processamento de inteiros;
Um pipeline para processamento FPU;
Operações em paralelo.
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Análise Operacional
•
Análise de uso de determinados recursos de máquina;
•
Aplicável principalmente em CPU;
•
Pode ser usada em outras medições, cálculo de estimativa de
rede;
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Análise Operacional
•
Variáveis operacionais para um determinado sistema (S)
– T: Período de observação
– K: Número de recursos do sistema
– Bi: Tempo de ocupação do recurso i no período T.
– Ai: Número total de solicitações (ex:.chegadas) do recurso i no
período T.
– A0: Número total de solicitações (ex:.chegadas) ao sistema no
período T.
– Ci: Número total de serviços finalizados pelo recurso i no período
T.
– C0: Número total de serviços finalizados pelo sistema no período
T.
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Análise Operacional
S
A0
K1
K4
K2
K5
K3
Kn
T
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C0
Análise Operacional
•
Métricas derivadas (derived measures)
– Si: Tempo médio de serviço por finalização relativa ao
recurso i; Si = Bi/Ci
– Xi: throughput (ex.: finalizações por unidade de tempo) do
recurso i; Xi = Ci/T
–
–
–
ʎi: taxa de chegada (ex.: chegadas por unidade de tempo) ao
recurso i; ʎi = Ai/T
X0: throughput do sistema; X0 = C0/T
Vi: Número médio de visitas ao recurso i por solicitação; Vi =
Ci/C0
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Análise Operacional
•
Leis Operacionais (derived measures)
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Análise Operacional
•
Exercícios resolvidos
– Suponha que ao se monitorar uma processador por um período
de 1 min, verificou-se que o recurso esteve ocupado por 36s. O
número total de transações que chegaram ao sistema é 1800. O
sistema também finalizou a execução de 1800 transações no
mesmo período.
• 1. Qual a taxa de chegada ao sistema (ʎ0)?
• 2. Qual é o throughput do sistema (X0)?
• 3. Qual é a utilização da CPU(UCPU)?
• 4. Qual é o tempo médio por transações finalizadas
pelo sistema (S0)?
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Análise Operacional
CPU:
K=1
UCPU = BCPU/T = 36/60 = 0,6 = 60%
T = 1 min
A0 = 1800 transações
C0 = 1800 transações
BCPU = 36 s
S0 = Si = BCPU / CCPU = 36/1800 = 0,02 s
Obs.: Considerando
S0 = Si = SCPU
U0 = Ui = UCPU
ʎ0 = ʎi = ʎCPU
A0 = A1
B0 = B1
X0 = X1 = XCPU
ʎ0 = ʎ1 = 1800/60 = 30
trs/s
X0 = X1 = 1800/60 = 30
trs/s
Anderson Moreira
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Exercícios
•
•
A banda passante de um link de comunicação é 56000 bps. Pacotes
de 1500 bytes são transmitidos ao link a uma taxa de 3 pacotes por
segundo. Qual é a utilização do link?
Para ilustrar o conceito de Service Demand considere o caso em que
6 transações fazem 3 acessos (cada uma) a uma unidade de disco. Os
tempos de cada acesso são apresentados em ms.
Qual a Service Demand do sistema?
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Exercícios
•
Considere que um Web Server foi monitorado por 10 min e que a CPU
esteve ocupada por 90%. O log do Web Server registrou 30.000
solicitações processadas. Qual é a CPU Service Demand (DCPU) relativa
as solicitações ao Web Server?
•
Procure informações sobre a Arquitetura do Pentium:
– Operações em paralelo;
– Cache;
– BTB – Branch Target Buffer;
– FPU;
– Otimização;
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Bibliografia
•
•
•
Arquitetura de Computadores Pessoais, Raul Weber, 2ª edição;
Arquitetura de Computadores, Andrew S. Tannembaum, 8ª
edição;
Fundamentos de Arquitetura de Computadores, Saib e Weber,
4ª edição;
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Dúvidas
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46
