prof. edson pedro ferlin · 2012. 7. 9. · power4 - 64bits risc alpha 21464 - 64bits smt powerpc...
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1Prof. Edson Pedro FerlinProf. Edson Pedro Ferlin Arquitetura de ComputadoresArquitetura de Computadores
MicroprocessadoresMicroprocessadores
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ComputadorComputador
Sistema composto por Processador, Memória e dispositivos de E/S, interligados por um barramento
Processador( CPU )
Memória E/S
ProcessadoresProcessadores
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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
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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)
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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
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Hyper ThreadingHyper Threading
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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
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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
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