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Processador CPU (Unidade Central de Processamento)

A sua denominação correcta é Unidade Central de Processamento (em inglês CPU-Central Process Unit). No entanto os termos processador e microprocessador (m P) são vulgarmente usados para referir o mesmo elemento. O que agora se chama de microprocessador, surgiu pela primeira vez em 1971, e teve como característica principal o facto de ter integrado numa única peça (chip) vários componentes que até então surgiam em separados, facilitando assim a implementação, as comunicações, diminuindo o tamanho, o consumo de energia e o preço.
A empresa que desenvolveu era a então pouco conhecida Intel, e o processador o 4004. Basicamente, um m P tradicional contém muitas das características que os anteriores sistemas de processamento continham, mas que para além de estarem compactados num único chip foram sendo desenvolvidos e aperfeiçoados. O CPU é o elemento central de coordenação e de processamento de todo o sistema, dito o computador. O CPU, recebe instruções (as aplicações, ou software) de manipulação dos dados. Dessa manipulação (processamento) são gerados novos dados, os resultados.

cpu-data e instruções

Unidade de Controlo (UC);

Unidade Lógica e Aritmética (ULA);
Registos;
Sistema de comunicações.


cpu-generico
Unidade de Controlo

A Unidade de Controlo (UC) é responsável pela leitura e sequenciação do programa de processamento. É esta unidade que envia ordens de cálculo para a ULA, que indica os valores a processar, e os coloca nos registos para esse efeito. É também a partir da UC que a informação é transferida para as outras partes que constituem o computador, como a memória, os sistemas de I/O, etc..

Unidade Lógica e Aritmética

A Unidade Lógica e Aritmética é responsável, como o seu nome indica pelas operações matemáticas, e pelas operações lógicas (AND, OR, XOR, NOT, comparações, etc.) ocorridas no processamento. Para essas operações utiliza os dados existentes nos Registos, aí colocados pela UC e actualizados em certos casos pela própria ALU, aquando das operações.

Registos

Os Registos são células de memória, em número inconstante mas bastante limitado, e com capacidade normal de 8, 16, 32 ou 64 bits cada (consoante se trate de microprocessadores ditos a 8, 16, 32 ou 64 bits), embora no mesmo processador seja comum existirem registos com vários destes tamanhos.

Sistema de Comunicações

Para que todos estes subsistemas funcionem é necessário que haja comunicação entre eles. Para isso, existe um sistema de comunicações interno, composto nomeadamente por barramentos, que os interliga. O largura (em bits) destes barramentos é função da capacidade da UC, dos Registos e da ALU. Apenas é necessário existir um bus de dados com a capacidade máxima igual à menor dos componentes que interliga, no entanto, por vezes o barramento de dados tem maior capacidade que esses outros componentes.

Com o evoluir da técnica e da necessidade crescente de mais capacidade de cálculo, mais memória, etc., foram sendo introduzidos novos componentes e unidades, que estão lentamente a tornar-se standards. É o caso da memória cache interna, de co-processador (unidade de vírgula flutuante), pipelines, etc..


Classificação

São várias formas de classificação dos CPU, das quais se destacam as seguintes:
Família;

Velocidade de relógio;
Número de bits;
CISC/RISC.

Família

A família diz respeito ao conjunto básico de instruções que o processador compreende (ou aceita). Cada família de processadores tem um conjunto básico de funcionamento e um conjunto básico de instruções que executa.
Cada especialização (cada processador dessa família) tem formas específicas de realização das instruções, durações diferentes para a mesma operação, mais instruções, etc.. No entanto, o conjunto básico é suportado por todos os elementos da família.
As famílias de processadores mais conhecidas daquelas utilizadas em computadores de uso pessoal são:
  • Intel 80x86 (i8086, i80286, i80386, i80486, Pentium (i80586) )
  • Motorola 680x0 (M68000, M68010, M68020, M68030, M68040, M68060)
  • Motorola/IBM/Apple Power PC
  • Digital Alpha
Por norma, cada uma destas famílias não é "compatível com" (leia-se "utilizável como") outra família, excepção feita à família Power PC que é compatível com a família Intel x86, a troco de alguma falta de desempenho quando se trata de utilizar o conjunto de instruções da família i80x86.

Velocidade

A velocidade dum processador mede-se em função da velocidade do seu relógio, que se mede em frequência (Hertz (Hz) ou Mega Hertz (MHz)). A frequência corresponde ao número de ciclos por segundo. Na figura seguinte representa-se duas frequências. Na figura a), o ciclo repete-se 3 vezes em cada segundo, daí tratar-se duma frequência de 3 Hz. Na figura b), o ciclo repete-se 7 vezes em cada segundo, daí tratar-se duma frequência de 7 Hz.

cpu-frequency




A frequência interna do relógio do processador varia de processador para processador, sendo comuns velocidades entre 2 MHz e 1200 MHz (1,2 GHz).
Instruções por segundo

Por vezes, erradamente, esta medida é confundida com o número de instruções que o processador realiza por segundo. Na realidade, cada instrução é realizada num número específico de ciclos, o que torna impossível definir com exactidão o número de instruções realizadas num segundo. Existem instruções que são realizadas num único ciclo de relógio (no limite é o que se deseja), enquanto outras demoram várias dezenas.

A figura seguinte representa esta situação.
cpu-frequency e instruções 
Multiplicação da velocidade do processador

Um dos problemas existentes na aplicação de microprocessadores é o baixo desempenho dos sistemas com que se interliga, nomeadamente barramento de dados e memória.

Aquando das primeiras gerações de microprocessadores, as velocidades do processador e do resto do computador eram as mesmas para que as interligações se realizassem em momentos específicos.

cpu-speed
No entanto, constatou-se que:
  • É fácil aumentar as velocidades do microprocessador;
  • É difícil aumentar as velocidades dos restantes componentes;
  • Enquanto processa, o CPU é independente dos outros componentes.
Nesse sentido, é possível que o processador processe a velocidades superioras, mantendo no entanto a noção de velocidade e coordenação com o resto dos componentes. Assim, o processador, internamente trabalha a velocidades superiores, mas quando interage com o exterior, fá-lo à velocidade especificada pelo relógio do sistema.

cpu-doubling frequency

Por exemplo, um processador que trabalhe a velocidade de 300 MHz e o resto do sistema funcione a velocidades de 50 MHz, então diz-se que o factor de multiplicação é de 6.
Esta técnica surgiu pela primeira vez na família Intel 80x86 em 1993 com o processador 80486. Tal processador tinha a sigla i80486DX2-50, que significa tratar-se dum processador Intel 80486, com co-processador (DX), com duplicação (2) de velocidade de relógio sendo a sua velocidade máxima a 50MHz. Posteriormente surgiu o i80486DX2-66, i80486DX4-100, etc.

Actualmente as siglas dos processadores desta família não incluem esta característica, mas a técnica continua a ser usada, e mais que nunca!...

Número de bits

A classificação baseada no número de bits está relacionada com a capacidade de manipulação do processador:
  • Capacidade interna. Tal como foi referido em [Registos], um computador diz-se de n bits em função da capacidade dos seus registos. Por exemplo, a família Intel x86, varia entre 8 e 32 bits (ver evolução histórica).
  • Capacidade externa. Esta capacidade diz respeito à quantidade de informação que é recebida pelo CPU do exterior. Raramente é menor que a capacidade interna, tradicionalmente é igual, mas as últimas implementações duplicam a capacidade externa (2x a capacidade interna).

CISC/RISC

Estes termos referem-se à arquitectura do processador. Podem ser:
  • Complex Instruction Set Code (CISC), em português Conjunto de Instruções de Código Complexo.
  • Reduced Instruction Set Code(RISC), em português Conjunto de Instruções de Código Reduzido.
NOTA: É mais comum, em vez de Code, usar o termo Computer ou Computing.
Desde o surgimento do conceito de RISC (em 1974), que existem apologistas e cépticos em relação ao conceito. Mas pior do que isso é a falta de consenso em relação às características. As características mais importantes associadas ao conceito RISC são:
  • Número pequeno e limitado de instruções, todas as instruções complexas são realizadas pela junção em software de instruções simples, aumentando o desempenho do processador;
  • Instruções de formato fixo, cujo código tem sempre o mesmo tamanho, o que facilita a descodificação da instrução;
  • Instruções simples com tempo de execução constante, permite diminuir a complexidade e tamanho do processador e consequentemente aumentar a velocidade de execução;
  • Instruções de manipulação registo-registo. As outras instruções resumem-se a buscar e colocar nas posições de memória valores existentes em registos. Esta característica facilita a manipulação de memória.
No entanto, estas características não são suficientes para definir o tipo de processador, pois da conjugação destas, alguns processadores são considerados simultaneamente CISC e RISC como é o caso do Pentium. Para alguns este processador é um processador RISC para outros é um processador CISC.

Termos e Expressões

Ciclos de RelógioÉ a dimensão em que se mede a velocidade do processador, quanto maior for a velocidade maior é o desempenho. Não existe uma relação directa entre o número de ciclos de relógio e o número de instruções por segundo [ver Velocidade].
Nº de bits de endereçamentoÉ o número de bits com que os dados (informação) é representada. Assim, quanto maior for o número de bits que representa os dados maior é facilidade e maior a complexidade de cálculo do processador. Normalmente este valor refere-se ao processamento interno do processador e não ao sistema.
Nº de bits de barramentoÉ o número de bits com que as instruções e dados circulam no sistema, quer interna quer externamente ao processador. Como nos outros casos, quanto maior for a largura do barramento, maior é informação transmitida, logo maior é a performance.
CISCAcrónimo de Complex Instruction Set Computer, que genericamente significa que o conjunto de instruções admitidas é substancialmente grande, complexo, de formato e duração diferentes. Internamente, o processador subdivide instruções complexas em instruções mais simples, o que obriga a aumentar a complexidade do chip (micro-código) e nesses termos diminuir a velocidade de relógio para não surgirem problemas electrónicos, com as resultantes e inconvenientes perdas de desempenho.
Co-processadorEste termo corresponde à unidade de vírgula flutuante (em inglês FPU-Floating Point Unit) existente dentro ou externamente ao processador, mas directamente interligado com este. De base, o processador apenas tem capacidade de processamento de números inteiros (sem vírgula), sendo necessário implementar esse processo ao nível de software, com a consequente degradação de desempenho e de aumento da complexidade de software. Assim, foi desenvolvido o co-processador, que permite a interligação com o processador e realiza por este as operações relacionadas com números com vírgula.
MIPSMillion Instructions Per Second, ou em português, Milhões de Instruções Por Segundo.
RISCReduced Instructions Set Computer, é o oposto de CISC, visto que a tecnologia pressupõe que cada instrução não seja subdivisível, tenha um tamanho fixo e seja exequível num número fixo de ciclos de relógio. Desta forma a complexidade do processador é menor e torna-se mais simples aumentar a velocidade de relógio e de processamento.
(Super)EscalarTecnologia usada no desenho de processadores, que possibilita através da utilização de dois ou mais pipelines (níveis de processamento) a execução de mais do que uma instrução por ciclo de processamento.

Evolução Histórica

  • Em 1971, pela primeira vez um microprocessador é colocado num único chip, o Intel 4004. Desde então as capacidades de processamento, velocidades de cálculo, mercado económico, utilizações, etc., dos seus sucessores não pararam de crescer.
  • Em 1974, a mesma empresa anuncia um novo processador, o 8080, a 8 bits (dados e endereçamento de memória) e atingia 5 MHz de velocidade de relógio, mas que apesar da suas características não foi utilizado a ponto de ser um marco na história.
  • Em 1975 surge o Zilog 80 (Z-80), que aparecia como sendo um melhoramento do 8080, e que o foi efectivamente. Funcionava com endereçamento de memória de 16 bits e dados a 8 bits.
  • Em 1978 surge o 8086, com barramento de 16 bits o que permitia desde logo endereçar (controlar) uma maior quantidade de memória (1MB), e com registos de 16 bits, o que permitia fazer cálculos complexos, como por exemplo operações com reais de vírgula flutuante, muito mais facilmente.


  • Este seria o processador base de toda uma linha que se manteria extremamente compatível com os seus predecessores, o que aliado aos seus bons desempenhos e inovação, se tornou a mais popular e usada de todas as famílias de m P para micro-computadores, a família Intel x86.

    Mas apesar do sucesso da linha x86, todo o sucesso começou com um não x86, o 8088 que era simplesmente uma versão menor do 8086. Surgiu em 1979, e a diferença principal e fundamental para o seu predecessor era o barramento a 8 bits. Deve o seu sucesso ao facto de a IBM o ter escolhido como base do seu futuro computador pessoal.
    Só que a Intel, não continuou a linha 8080, mas apostou sim nas características e princípios do 8086, aliás como seria de esperar.

    • Assim, em 1982 surgiu o 80286. As suas principais características era o modo protegido, que permitia ultrapassar o problema de endereçamento de memória, e as velocidades de 8 e 12 MHz. Mas esta característica só alguns anos mais tarde viria a ser usada em larga escala, pelo que a sua compatibilidade com o 8086/88 e as suas velocidades de processamento foram as principais factores que fizeram dele um best seller.
    • O 80386 surge em 1985, inicialmente a velocidade de 16MHz, e mais tarde de 20, 25, 33, 40, ..., e executava 5-6 MIPS e era 15 vez mais potente que 8086. Funcionava a 32 bits quer no endereçamento de memória quer no barramento e nos registos de dados.
    • Em 1989 surge o 80486, a velocidades iniciais de 20, 33, 50 Mhz, e executava 20 MIPS, o que triplicava a capacidade do seu predecessor. Pelo facto de executar simultaneamente mais do que uma instrução (pipeline), permitia-lhe às mesmas velocidades de relógio suplantar as prestações do 80386. A especificação do 486 pressupunha também a existência de um co-processador matemático (FPU) integrado, o que em versões menores veio a ser desligado. Continha também 8KB de memória cache quer para dados quer para instruções.
    • Em 1993 surgiu o Pentium (x586). Tem capacidade de endereçamento de 32 bits e barramento de 64 bits, tem dupla cache interna, unidades de cálculo para inteiros e reais (vírgula flutuante), tecnologia super-escalar (possibilidade de executar mais do que uma instrução por ciclo de relógio), teste de paridade interno (detecção de erros), etc..
    • Foram sendo incorporados novos conjuntos de instruções, como a tecnologia MMX, desenvolveram-se especializações para servidores, o Pentium Pro com vários níveis de cache interna. O Pentium II, é um Pentium Pro ao qual foi adicionada a tecnologia MMX e duplicada a cache interna.


  • Esta é sem dúvida a mais popular das famílias de m P, mas estão desde sempre muito ligadas a computadores pessoais e com baixo poder de cálculo, embora nos dois últimos modelos, com a incorporação de co-processador, de cache interna, de unidades de aceleração de cálculo de reais com vírgula flutuante, etc., esta família (Pentium) comece a competir pelo mercado de estações de trabalho e servidores de médio porte.
    A figura seguinte apresenta um esquema das relações entre os vários processadores e os modelos de algumas das mais conhecidas marcas que os fabricam, como a Intel, a AMD, a Cyrix e a IDT.

  • cpu-x86
    • Paralelamente à família Intel x86 foi-se desenvolvendo uma outra, a família Motorola 68000, que com mais ou menos diferenças estruturais e funcionais se acabam por equivaler em performance. Esta última, equipa desde há muito tempo uma linha de computadores pessoais da marca Apple, os Macintosh. Esta linha é um símbolo no universos das máquinas e sistemas operativos com interface gráfica desde há muitos anos e a esse símbolo está associado esta família de m P. Ao longo dos últimos 15 anos, foram aparecendo máquinas baseadas nesta família que tinham como principais características comuns a facilidade de uso, a sua vocação para a computação gráfica e dispositivos adicionais para multimédia.
    • O PowerPC desenvolvido e construído pelo consórcio IBM/Motorola/Apple, pretende ser um substituto da família iX86, mantendo compatibilidade "total" com essa família.
    • Hoje em dia, e para além dos computadores baseados em processadores Pentium e PowerPC que começam a ameaçar o mercado das workstations científicas, a concorrência vai de vento em popa com o aparecimento de diversos m P, ainda que substancialmente mais caros (mas mais potentes) começam a fazer diluir a linha que separava os diversos mercados de computadores.
    • É o caso dos processadores Alpha da Digital, destinados a equiparem estações de trabalho e servidores de média potência, mas que devido às hipóteses na escolha de sistemas operativos (DEC UNIX, Open VMS e Windows NT), as potenciais utilizações sobrepõem-se com as dos computadores pessoais, equipados com processadoras da família iX86.


  • É uma família de processadores RISC, com 64 bits de endereçamento e de registos, e 32 bits de para instruções, que apareceu no mercado em 1992 e que segundo a marca, terá um período de vida de 25 anos. O seu primeiro membro foi o 21064 a 150MHz, mas hoje em dia modelos mais recentes trabalham já à velocidade de 450 MHz, e em laboratório atingiram mais de 600MHz.

  • Síntese

    Alguns temas abordados sobre o processador (CPU):
    • O conceito de microprocessador;
    • Os seus mais importantes componentes;
    • As características classificativas de microprocessadores;
    • Algumas das famílias de m P mais comuns e populares no mercado;
    • Justificação da escolha de m P para determinada aplicação.






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