Arquitetura de Computadores: Unidade central de processamento

Unidade central de processamentoUnidade central de processamento
Prof. Alex Dias Camargo
alexcamargo@ifsul.edu.br
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
SUL-RIO-GRANDENSE
CAMPUS BAGÉ
ARQUITETURA DE COMPUTADORES

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I. Plano de aula
Na aula anterior foi visto:
 Álgebra Booleana
 Circuitos Lógicos
ARQ - Unidade central de processamento

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I. Plano de aula
Nesta aula será apresentado:
 Estrutura e funcionamento interno da CPU
 Principais tendências de projeto de CPUs

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1. Introdução
Os processadores atuais são fabricados de modo que, num único
chip são inseridos todos os elementos necessários à realização de
suas funções.
 CPU é a sigla para Central Process Unit, ou Unidade Central de
Processamento.
 Processadores no mercado: de 32-bit e 64-bit, com um ou
múltiplos núcleos, e compatíveis com diferentes placas-mãe.
Principais fabricantes: Intel e AMD.
 A quantidade de núcleos influencia na capacidade do seu
processador em desempenhar atividades multitarefas.
 Taxa de clock: velocidade de processamento medida em
Hertz (Hz). Cada 1 Hz equivale a uma instrução por segundo.
Intel i7-5550U de 2 GHz = 2 bilhões de instruções/segundo.

5
1. Introdução
Figura. Um processador Intel 80386, de 1985, com seu circuito integrado exposto

6
1. Introdução
Figura. Processador Intel Core I7 4790 4.0 Ghz

7
1. Introdução
Figura. Placa-mãe EVGA X58 SLI com suporte para Intel Core I7

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1. Introdução
Os CIs têm permitido processadores cada vez mais complexos e
fabricados em tamanhos da ordem de nanômetros. Uma CPU é
composta basicamente por três principais componentes:
 Unidade lógica e aritmética (ULA): executa operações
lógicas e aritméticas;
 Unidade de controle (UC): controla sinais, decodifica
instruções, busca operandos, organiza o ponto de execução;
 Registradores: armazenam dados para o processamento.
Alguns autores também incluem na mesma categoria dos
registradores, a Memória cache (L1, L2 e L3).

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1. Introdução
Figura. Arquitetura de Von Neumann (modelo expandido)

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2. Exercícios
1. Em relação à arquitetura, a CPU é representada pelo
microprocessador, sendo responsável pela principal função dos
microcomputadores, que é o processamento dos dados.
Conceitualmente, a CPU é constituída de:
( ) Registradores / Memória Cache / Coprocessador Aritmético e
Lógico.
( ) Registradores/ Unidade de Controle/ Unidade Lógica e
Aritmética.
( ) Buffers / Memória Cache / Coprocessador Aritmético e Lógico.
( ) Buffers / Unidade de Controle / Unidade Lógica e Aritmética.

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2. Exercícios
2. Em relação à organização de memórias em um computador,
pode-se afirmar que (explique):
( ) As mais próximas da CPU devem ser mais rápidas e com maior
capacidade.
( ) As mais distantes da CPU podem ser mais rápidas e com maior
capacidade.
( ) As mais próximas da CPU devem ser mais rápidas e com menor
capacidade.
( ) As mais distantes da CPU podem ser mais lentas e com maior
capacidade.
( ) As mais distantes da CPU podem ser mais lentas e com menor
capacidade.

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2. Exercícios
3. Sobre a CPU, assinale a afirmativa INCORRETA.
( ) A ULA é responsável por executar operações lógicas e
aritméticas.
( ) A UC é responsável por decodificar instruções, buscar
operandos, controlar o ponto de execução e realizar desvios.
( ) CPU dual-core (com dois núcleos) possui 2 ULA, 2 UC e 2
registradores, possibilitando a execução simultânea de mais de um
software.
( ) Os registradores são responsáveis por armazenar dados para o
processamento.

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2. Exercícios
4. O processador possui uma unidade que é responsável por
sincronizar todos os processos da CPU e dos componentes do
sistema, como a memória principal e os dispositivos de entrada e
saída. Essa unidade é denominada:
( ) UC (Unidade de Controle).
( ) ULA (Unidade Lógica e Aritmética).
( ) Registradores.
( ) UE (Unidade de Endereços).

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2. Exercícios
5. Os componentes microprocessador, placa-mãe e memória RAM
são partes principais de um computador no qual são alocados e
protegidos dentro de uma caixa de metal ou plástico, chamada de:
( ) Unidade de armazenamento
( ) Boot
( ) Gabinete
( ) CPU
( ) Slot
6. O conjunto de registradores do computador funciona como uma
memória de alta velocidade interna do processador. Explique.
( ) Certo
( ) Errado

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2. Exercícios
7. As instruções que uma CPU necessita para executar um
programa são buscadas:
( ) nas interfaces USB.
( ) na memória.
( ) no drive de DVD.
( ) no barramento de endereços.
8. Dentre os processadores da Intel se encontram as famílias de
produtos:
( ) PENTIUM, CELERON e ATOM.
( ) PENTIUM, CORE e ATHLON.
( ) CORE, ATHLON e CELERON.
( ) ATHLON, CELERON e TURION.

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2. Exercícios
9. A BIOS gerencia tanto a placa-mãe quanto o boot do sistema
operacional, além de ser responsável pelo gerenciamento de
processamento e pela troca de dados entre o PC (program counter)
e a memória RAM. Explique.
( ) Errado
( ) Certo
10. Os processadores mais recentes possuem, dentre outras
funcionalidades, a capacidade de ajustar dinamicamente seu
desempenho de acordo com a demanda exigida pelo
processamento. Explique.
( ) Errado
( ) Certo

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2. Exercícios
11. Responda os quizes disponíveis em:
https://pt.quizur.com/trivia/teste-de-conhecimento-sobre-hardware-4nXT
https://rachacuca.com.br/quiz/23073/informatica-conceitos-basicos-i
https://rachacuca.com.br/quiz/78750/informatica-para-concursos-nocoes-de-
hardware/
12. Escreva um artigo no formato de resumo expandido (2 páginas)
sobre “Principais processadores dos dispositivos móveis atuais”
utilizando o formato padrão SBC. O documento dever conter as
seguintes seções:
- Título (baseado no tema)
- Resumo (somente em português, 5 linhas)
- Introdução
- Referencial teórico (com uma tabela comparativa)
- Considerações finais (opiniões sobre o conteúdo abordado)
- Referências (Google Acadêmico, mínimo 3)

18
3. Evolução dos processadores
Em 1965, um dos fundadores da Intel, Gordon Moore, publicou um
artigo sobre o aumento da capacidade de processamento dos
computadores. Seu conteúdo ficou conhecido como a Lei de Moore.
 Tal "lei" dizia que o poder de processamento dos computadores
dobraria a cada 18 meses.
 Não passava de uma observação, mas acabou tornando-se um
objetivo para as indústrias de semicondutores.
 Fim da lei de Moore?
 Em outubro de 2015 foi anunciada uma pesquisa da IBM
utilizando nano tubos de carbono, o que permitiria atingir
escalas de 1,8nm (nano metros).
 Em fevereiro de 2017, a Intel anuncia que a empresa tem
investido bastante em Computação Quântica (teorias e
propriedades da mecânica quântica).

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Figura. Crescimento do número de transistores para processadores Intel (pontos)
e Lei de Moore (Linha de cima=18 meses, linha de baixo=24 meses)

20
Figura. Lei de Moore: Crescimento do número de transistores para processadores

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O componente básico de um processador é o transistor, sendo
exatamente o avanço na tecnologia de fabricação desse
componente que possibilitou a evolução dos processadores.
 1971: O primeiro microchip comercial produzido no mundo foi
o Intel 4004.
 Desenvolvido para ser utilizado por uma empresa japonesa de
calculadoras portáteis.
 Até então, os dispositivos eletrônicos possuíam diversos chips
separados para controle de teclado, display, impressora, etc.
 Possuía uma CPU de 4 bits e cerca de 2300 transistores.

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Figura. Intel 4004 (1971)

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 1974: a Intel lança o primeiro processador voltado para
computadores pessoais, o Intel 8080.
 Possuía 4.800 transistores (CPU de 8 bits), porém, com uma
frequência de operação capaz de executar 290.000 operações
por segundo.
 Oferecia uma performance cerca de 10 vezes maior que seu
predecessor.
 Foi considerado o primeiro processador do mundo
verdadeiramente de propósito geral.

24

25
 1985: a Intel lança a grande inovação da década, o
processador de 32 bits, chamado Intel 386.
 Com 275.000 transistores, operava a uma velocidade máxima
de 5 milhões de instruções por segundo e frequência de 33
MHz.
 Em sequência, a AMD lança o Am386, sua versão do Intel 386.

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Figura. Intel 386 e AMD (1985)

27
 1989: é lançada uma nova família de processadores, o Intel
486.
 Possuía 1.200.000 transistores e operava com uma frequência
máxima de 50 MHz.
 Foi o primeiro com um coprocessador matemático integrado e
cache L1.
 AMD lança Am486 também construído com um coprocessador
matemático integrado.

28

29
 1993: lançamento do Intel Pentium, sendo um marco do
avanço tecnológico da marca.
 Possuía cerca de 3.100.000 transistores construídos com a
tecnologia de 0.8µm (micrometro).
 Suas primeiras versões trabalhavam a uma frequência de
66MHz, posteriormente chegando aos 233 MHz.
 Incluía duas caches de 8 KB no chip.
 Após assistir ao lançamento do Pentium, a AMD lança o Am586,
uma versão melhorada do Am486, porém não competitiva.

30
Figura. Intel Pentium (1993)

31
 2000: a Intel lança o Pentium 4, um dos processadores mais
vendidos na história.
 Com 42 milhões de transistores, suas primeiras versões
chegavam a 1,5 Ghz de frequência.
 Possibilitou computadores pessoais serem usados para edição
de vídeos e fotos profissionais.
 Em outubro de 2001, o Athlon XP colocou a AMD novamente
em uma clara posição de liderança.

32
Figura. Intel Pentium 4 e Athlon XP (2000)

33
 2006: o primeiro processador dessa categoria foi o Intel
Pentium D.
 Basicamente, dois núcleos de Pentium 4 em um mesmo chip
com adaptações para o compartilhamento do barramento.
 Suas melhores versões eram produzidas com a tecnologia de
65nm (nanômetros).
 Porém, mais uma vez a AMD sai ganhando com o lançamento
do seu primeiro multicore, o Athlon 64 X2.
 A nova linha Intel abandona a marca Pentium e passa a utilizar
a Core2, trazendo-a para a liderança novamente.

34
Figura. Intel Core 2 Duo e Pentiual Dual Core (2006)

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 2010: a Intel lançou três modelos de processadores diferentes:
Intel Core i3, i5 e i7.
 O Core i3 traz dois núcleos de processamento e tecnologia
Hyper-Threading (oferece um aumento de desempenho de até
30% dependendo da configuração do sistema).
 A série Core i5 disponibiliza modelos de dois ou quatro núcleos,
possuem tecnologia Turbo Boost (aumenta dinamicamente a
frequência do processador conforme a necessidade)
 A linha Intel Core i7 conta com quatro ou seis
núcleos,tecnologia Hyper-Threading, Turbo Boost, Intel QPI e
HD Boost. Sua desvantagem é em relação ao elevado preço.

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Figura. Intel Core i3, i5 e i7 (2010)

37
4. Exercícios
13. A Lei de Moore foi a grande responsável pelo vertiginoso
crescimento da capacidade de processamento dos
microprocessadores. Nesse contexto, a competição pela liderança
do mercado entre Intel e AMD, as duas maiores empresas do ramo
de microprocessadores para computadores pessoais, também
contribuiu para essa rápida evolução.
Escreva um texto que trate do impacto das predições de Moore na
indústria da computação. Para isso, considere a evolução dos
processadores desenvolvidos pelos principais fabricantes elencados
durante a aula. Também, discuta quais aspectos inviabilizaram a
capacidade de processamento inicialmente apresentada no
seguinte artigo:
MOORE, Gordon E. et al. Cramming more components onto
integrated circuits. 1965.

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5. Arquitetura dos processadores
A arquitetura descreve o processador que foi usado em um
computador.
 Reduced Instruction Set Computer (RISC)
 Complex Instruction Set Computer (CISC)

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5.1 Reduced Instruction Set Computer
(RISC)
A arquitetura RISC é constituída por um pequeno conjunto de
instruções simples que são executadas diretamente pelo hardware.
Nesse contexto não há a intervenção de um interpretador.
 Capazes de executar apenas poucas instruções simples.
 Não há um microprograma para interpretar as instruções.
Complexidade no compilador.
 A maioria das instruções envolvem endereçamento por
registrador, sem acesso à memória.
Um ciclo por instrução.
 Uso massivo de pipeline: técnica que divide a execução de
instruções em várias partes.

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5.1 Reduced Instruction Set Computer
(RISC)
Figura. Processadores RISC

41
5.2 Complex Instruction Set Computer
(CISC)
CISC é uma arquitetura de processadores capaz de executar
centenas de instruções complexas diferentes, o que a torna
extremamente versátil.
 Complexidade no microprograma: trecho localizado em
uma memória do circuito integrado do processador.
 Poucos registradores, mas especializados: utilizam mais
memória principal e cache, pois trabalham com um maior
volume de instruções e dados simultaneamente.
 Reduz as dificuldades de escrita de compiladores: visa
facilitar a detecção e correção de erros.

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5.2 Complex Instruction Set Computer
(CISC)
Figura. Processadores CISC

43
5.3 Comparação entre as arquiteturas
de processadores
Tabela. RISC x CISC

44
6. Exercícios
14. Sobre a arquitetura RISC é correto afirmar o seguinte
(explique):
( ) Em comparação com a CISC, RISC apresenta uma arquitetura
com poucos registradores.
( ) O uso de pipeline é uma característica da RISC.
( ) As instruções RISC consomem vários ciclos de clock.
( ) Muitas instruções RISC são executadas pelo microcódigo.
15. Pipeline consiste em uma tecnologia que permite paralelismo
na execução de instruções, sendo aplicada de forma mais eficiente
no conjunto de instruções reduzidas (RISC) — que tem modos de
endereçamento e formato de instruções simples — que no conjunto
complexo de instruções (CISC).
( ) certo ( ) errado

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6. Exercícios
16. Atualmente, os processadores Intel contêm um núcleo RISC que
executa as instruções mais simples — que normalmente são as
mais comuns — em um único ciclo de caminho de dados, enquanto
interpreta as instruções mais complexas no modo CISC. Explique.
17. RISC e CISC são tecnologias que apresentam soluções
semelhantes para problemas de aproveitamento da memória, um
dos recursos de hardware mais escassos. Explique.

46
6. Exercícios
18. Considere:
I. O objetivo da máquina RISC é executar, em média, uma instrução
por ciclo.
II. Compiladores para máquinas CISC fazem uso intenso de
registradores, o que incrementa o tráfego de memória.
III. As máquinas CISC possuem substancialmente mais
registradores do que as máquinas RISC.
É correto o que consta em:
( ) I, apenas.
( ) II, apenas.
( ) III, apenas.
( ) II e III, apenas.
( ) I, II e III.

47
6. Exercícios
19. Um processador com arquitetura RISC possui poucas instruções
de máquina, que são executadas diretamente pelo hardware, para
que ocorram em alta velocidade. Os processadores CISC possuem
instruções complexas que são executadas por microprogramas.

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Referências básicas
STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de
Computadores. 8.ed. São Paulo: Prentice Hall, 2010.

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