Processadores

     Este componente é o principal responsável pelo desempenho de um PC. Todos os processadores usados nos PCs são descendentes do 8086, o primeiro processador de 16 bits lançado pela Intel, no final dos anos 70. Na discussão que faremos a seguir, encontraremos diversos termos técnicos relacionados com os processadores, por exemplo: 

      Barramento de dados

      Barramento de endereços

      Acesso à memória

      Acesso a entrada e saída
    Para facilitar a compreensão desses termos, apresentaremos aqui uma descrição simplificada de um processador. Esta descrição não irá reproduzir diretamente as características dos processadores usados nos PCs, mas dará ao leitor, o embasamento necessário para entendê-los.
     Um processador é um chip que contém o que chamamos de Unidade Central de Processamento (em inglês, Central Processing Unit, ou CPU). É responsável por buscar e executar instruções existentes na memória. Essas instruções são o que chamamos de “linguagem de máquina”. São comandos muito simples, como operações aritméticas e lógicas, leituras, gravações, comparações e movimentações de dados. Essas instruções simples, quando agrupadas, formam o que chamamos de programas.
     Um processador precisa realizar operações de leitura da memória. Nessas leituras o processador recebe as instruções a serem executadas e os dados a serem processados.   Também é preciso realizar gravações de dados na memória, para guardar os resultados intermediários e finais do processamento.
     Não basta ser capaz de realizar leituras e gravações na memória. Um processador também precisa ser capaz de comunicar-se com o mundo exterior. Neste mundo exterior está o usuário que opera o computador. 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). 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.

figura1

     A figura mostra, de forma bem simplificada, alguns dos sinais digitais existentes em um processador. Temos o chamado “barramento de dados”, através do qual trafegam os dados que são transmitidos ou recebidos pelo processador. Os dados transmitidos podem ser enviados para a memória ou para um dispositivo de saída, como o vídeo. Os dados recebidos podem ser provenientes da memória, ou de um dispositivo de entrada, como o teclado.
    Cada uma das “perninhas” do processador pode operar com um bit. No processador da figura 1, temos um barramento de dados com 16 bits. Observe que as linhas desenhadas sobre o barramento de dados possuem duas setas, indicando que os bits podem trafegar em duas direções, saindo e entrando no processador. Dizemos então que o barramento de dados é bidirecional.
     O barramento de endereços serve para que o processador especifique qual é a posição de memória a ser acessada, ou qual é o dispositivo de entrada e saída a ser ativado. Na figura, temos um barramento de endereços com 24 bits, já que são usadas 24 “perninhas” do processador para a formação deste barramento. Observe ainda que o barramento de endereços é unidirecional, ou seja, os bits “saem” do processador.
     Além desses dois barramentos, a figura mostra ainda dois sinais de controle que servem para definir se a operação a ser realizada é uma leitura ou uma gravação, e se deve atuar sobre a memória ou sobre um dispositivo de E/S.
    São eles:
     

     MIO:

     Este sinal indica se a operação diz respeito à memória ou a E/S RW: Este sinal indica se a operação é uma leitura ou uma gravação. Através desses dois sinais, podem ser definidas 4 operações básicas:

      Leitura da memória 

      Escrita na memória

      Leitura de E/S (Ex: do teclado)
       Escrita em E/S (Ex: no vídeo)

figura 2

      Note que o processador representado na figura tem 20 linhas que indicam os endereços e 16 que indicam os dados. São ao todo 36 linhas. Processadores mais modernos operam com um número ainda maior de bits. Por exemplo, 32 bits de enereços e 64 bits de dados. O número de linhas é tão grande que sua representação torna-se confusa. Por isso é comum utilizar a representação da figura 2. Usamos setas maiores para representar um conjunto de bits que têm a mesma função, como o barramento de dados e o barramento de endereços.
     Os processadores possuem, além do barramento de dados e de endereços, o chamado barramento de controle, no qual existe uma miscelânea de sinais digitais com diversas finalidades. Os sinais RW e MIO exemplificados na figura são parte do barramento de controle. Outros exemplos de sinais deste barramento são os que descrevemos a seguir.

     INT:
     Este sinal é uma entrada que serve para que dispositivos externos possam interromper o processador para que seja realizada uma tarefa que não pode esperar. Por exemplo, a interface de teclado interrompe o processador para indicar que uma tecla foi pressionada.  Esta tecla precisa ser lida, e seu código deve ser armazenado na memória para processamento posterior. As interfaces de drives e do disco rígido interrompem o processador para avisar o término de uma operação de leitura ou escrita. Vários outros dispositivos também precisam gerar interrupções. Como existe apenas uma entrada INT, o processador opera em conjunto com um chip chamado controlador de interrupções. Este chip é encarregado de receber requisições de interrupção de vários dispositivos e enviá-las ao processador, de forma ordenada, através do sinal INT.
     

     NMI:
     Este é um sinal de interrupção especial para ser usado em emergências. Significa Non Maskable Interrupt, ou Interrupção não mascarável. Em outras palavras, esta interrupção deve ser atendida imediatamente. Ao contrário do sinal INT, que pode ser ignorado pelo processador durante pequenos intervalos de tempo (isto se chama mascarar a interrupção), o sinal NMI é uma interrupção não mascarável. Nos PCs, o NMI é usado para informar erros de paridade na memória e outras condições catastróficas.
 

     INTA:
     Significa Interrupt Acknowledge, ou seja, reconhecimento de interrupção. Serve para o processador indicar que aceitou uma interrupção, e que está aguardando que o dispositivo que gerou a interrupção identifique-se, para que seja realizado o atendimento adequado.
 

     VCC:
     Esta é a entrada de corrente elétrica que alimenta os circuitos internos do processador. Processadores antigos operavam a partir de uma tensão de 5 volts. A partir de meados dos anos 90, passaram a utilizar tensões mais baixas, como 3,5 volts. Todos os processadores modernos operam com duas tensões (VCC1 e VCC2). A tensão externa é sempre de 3,3 volts (já existem modelos mais recentes que operam externamente com 2,5 volts), e é usada para alimentar os circuitos que se comunicam com o exterior do processador. A tensão interna é usada para alimentar o interior (núcleo) do processador, e é sempre mais baixa. Nos processadores recentes, a tensão interna é inferior a 2 volts. Note que cada tensão de entrada não ocupa um único pino do processador, e sim, vários pinos. Como a corrente total é relativamente alta, os processadores usam vários pinos para a entrada da tensão do núcleo (Core) e para a tensão externa (I/O).

     GND:
     Significa Ground, ou Terra. Deve ser ligado ao polo negativo da fonte de alimentação. Assim como ocorre com as entradas de VCC, os processadores possuem diversos pinos de terra, para que o fornecimento de corrente seja melhor distribuído. Reset Este é um sinal que está ligado ao botão Reset do painel frontal do gabinete.
     Ao ser ativado, o processador para tudo, e atua como se tivesse acabado de ser ligado. Este sinal é também conectado a um circuito chamado Power on Reset. Sua função é gerar, no instante em que o computador é ligado, um pulso eletrônico similar ao criado pelo pressionamento deste botão.
     Aproveitando os conhecimentos de eletrônica apresentados neste site, mostramos no final deste capítulo, o funcionamento de um circuito de Reset
 

     Clock:
     Esta entrada deve receber um sinal digital que será usado internamente para sincronizar todo o funcionamento do processador. Explicando de forma simplificada, se um processador recebe um clock de 100 milhões de ciclos por segundo, ele executará 100 milhões de operações por segundo.

figura 3

     

     A figura mostra o diagrama de tempo de um sinal de clock. Seus bits se alternam de forma periódica, entre 0 e 1. Um trecho com valor 1, seguindo por um trecho com valor 0, é o que chamamos de período do clock. O período é calculado em função do valor do clock, pela seguinte fórmula:

T = 1/f

     Na fórmula, T é o período, dado em segundos, e f é a freqüência do clock, medida em Hz (hertz). Por exemplo, se tivermos um clock de 100 MHz (100.000.000 Hz), o período será de:
T = 1/100.000.000 = 0,000 000 01s
     Para evitar o uso de casas decimais, toma-se o hábito de usar a unidade ns (nano-segundo, ou bilionésimo de segundo). Para fazer a conversão basta andar com a vírgula, 9 casas decimais para a direita. Portanto temos: 0,000 000 01s = 10 ns.

     A maioria dos circuitos digitais opera a partir de uma base de tempo, um clock. São chamados de circuitos síncronos. Os processadores são circuitos síncronos, já que são comandados por sinais de clock. As transições se positivas e negativas (0 para 1 e 1 para 0) do sinal de clock indicam aos circuitos digitais que o utilizam, o momento certo de realizar suas operações.
     Processadores antigos (até o 486DX-50) utilizavam um único sinal de clock para suas operações internas e externas. A partir daí, e até os dias atuais, os processadores passaram a operar com dois clocks, sendo um interno e um externo. O clock interno é sempre mais alto, e é usado para sincronizar as operações de processamento. Quando falamos, por exemplo, sobre um “Pentium III/800”, estamos dizendo que o seu clock interno é de 800 MHz.
     O clock externo tem um valor menor, e é usado para sincronizar as operações de comunicação entre o processador, a memória, o chipset e outros circuitos externos.
     Não só o processador opera a partir de um clock. Vários outros circuitos e barramentos do computador têm suas operações sincronizadas por um clock. Por exemplo:

     Memórias PC133 operam a partir de um clock de 133 MHz

     Memórias PC100 operam a partir de um clock de 100 MHz 

     O barramento PCI opera a partir de um clock de 33 MHz

     O barramento AGP utiliza um clock de 66 MHz

     O barramento ISA utiliza um clock de 8 MHz

     Placas de som fazem digitalizações em até 44 kHz
     A princípio, quanto maior é o clock de um processador, maior é o seu desempenho. Por exemplo, um processador de 800 MHz é seguramente mais veloz que um de 200 MHz. Os fabricantes de processadores se esforçam para criar modelos capazes de operar com clocks cada vez mais elevados. Não devemos entretanto levar ao pé da letra, a relação entre desempenho e clock. Por exemplo, em certas condições, um processador de 700 MHz pode ser mais veloz que um de 900 MHz. O motivo desta discrepância é que além do clock, existem outros fatores que influenciam no desempenho, como por exemplo:

     Velocidade das memórias

     Desempenho da cache L2

     Arquitetura avançada

    Quando as memórias não são suficientemente velozes, podem demorar muito na entrega de dados e instruções para o processador, que acaba ficando parte do tempo ocioso, tendo seu desmpenho prejudicado pela lentidão da memória. Também a cache L2 tem papel fundamental. A cache L2 do processador Pentium III Coppermine, por exemplo, é mais eficiente que a do processador Pentium III Katmai. Portanto existem diferenças de desempenho, se comparamos essas duas versões do Pentium III, mesmo quando ambas operam com o mesmo clock. O tamanho da cache L2 também tem influência no desempenho. Processadores Athlon e Duron são idênticos, exceto pelo tamanho da cache L2 (256 kB para o Athlon e 64 kB para o Duron). Por isso ao compararmos os desempenhos desses dois processadores, mesmo operando com o mesmo clock, o Athlon leva vantagem. A arquitetura mais avançada também tem influência direta no desempenho. Um processador de 1200 MHz de 7a geração, por exemplo, tende a ser mais rápido que um de 1200 MHz, mas de 6a geração.
     Processadores de gerações mais avançadas são capazes de executar mais instruções ao mesmo tempo e operam com mais eficiência, tirando assim maior proveito do seu clock. É como comparar um carro com motor 2.0 produzido no ano 2000 com outro de motor 2.0 produzido em 1980. Os motores de geração mais nova têm maior rendimento, e tendem a obter maior desempenho em relação à potência do motor.
     O clock de um processador está diretamente relacionado com o número de instruções que podem ser executadas a cada segundo. O 8086 e o 8088, nas suas primeiras versões, operavam a 5 MHz. Isto não significa exatamente 5 milhões de instruções por segundo, e sim, 5 milhões de CICLOS por segundo. Algumas instruções mais simples podiam ser executadas em apenas dois ciclos. Desta forma, em um segundo seria possível executar 2.500.000 dessas instruções. Outras instruções mais complexas, como a multiplicação e a divisão, eram muito mais demoradas. Suponha por exemplo uma instrução que precise de 10 ciclos para ser executada. Operando a 5 MHz, esses processadores poderiam executar 500.000 dessas instruções por segundo.
     Com o passar do tempo e a evolução da tecnologia foi possível desenvolver processadores capazes de operar com clocks mais elevados, e o que é mais importante: executar instruções em um reduzido número de ciclos. Os processadores mais modernos são capazes de executar a maioria das instruções em apenas um ciclo. A partir do Pentium, passaram a executar instruções de forma simultânea, tornando possível, por exemplo, executar duas instruções em um único ciclo. Isto faria com que, teoricamente, operar a 200 MHz resulte em 400 milhões de instruções por segundo.

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Os primeiros microprocessadores

     Não confunda essas duas palavras:
     Microcomputador: É um computador pequeno, de tamanho tal que pode ser colocado sobre uma mesa.   Quando surgiram os microcomputadores, existiam apenas os computadores de grande porte (que ocupavam salas inteiras) e os minicomputadores, que eram do tamanho de uma geladeira.
     Microprocessador: É um pequeno chip que cabe na palma da mão.
     Podemos dizer que esse chip é o “cérebro” do computador. É ele que executa os programas, faz os cálculos e toma as decisões, de acordo com as instruções armazenadas na memória.

     Os microprocessadores formam uma parte importantíssima do computador, chamada de UCP (Unidade Central de Processamento), ou em inglês, CPU (Central Processing Unit). Antes da existência dos microprocessadores, as CPUs dos computadores eram formadas por um grande número de chips, distribuídos ao longo de uma ou diversas placas. Um microprocessador nada mais é que uma CPU inteira, dentro de um único CHIP. Podemos ver um microprocessador em uma placa de circuito. Um microprocessador contém todos os circuitos que antigamente eram formados por diversas placas.

     Ligando-se um microprocessador a alguns chips de memória e alguns outros chips auxiliares, tornou-se possível construir um computador inteiro em uma única placa de circuito. Esse computador, por ter um tamanho muito menor que os computadores da época (início dos anos 70), passou a ser conhecido
como microcomputador. Esses primeiros microcomputadores eram bem diferentes dos atuais. Não tinham, por exemplo, teclado, nem vídeo, nemimpressora. Eram ligados a um aparelho chamado de TELETYPE (ou
TELETIPO). O teletipo era uma máquina de escrever que continha uma leitora e uma perfuradora de fita de papel. Os programas não eram armazenados em discos, como nos dias atuais. Eram gravados em fitas de  papel. Os pequenos furos da fita de papel representavam as instruções dos programas.
     Uma famosa empresa americana, a Intel, foi uma das primeiras a produzirem microprocessadores. Seu primeiro microprocessador era chamado de “4004”.
     O 4004 era um microprocessador ainda muito limitado. Era capaz de realizar operações com apenas 4 bits de cada vez. Se você ainda não sabe o que é um bit, não se preocupe, pois mais adiante neste capítulo explicaremos o que são bits e bytes. Para simplificar, um microprocessador de 4 bits só pode operar com números pequenos, de 0 a 15. Para usar números maiores, um microprocessador de 4 bits precisa dividir o número em várias partes e fazer as contas em várias etapas. Podemos exemplificar isto, fazendo uma analogia com o que acontece com o cérebro humano:
     Pergunta: Quanto é 37x21 ?
     Na escola nunca estudamos a tabuada de 37, e nem de 21. Para calcular
                37x21 temos que fazer a conta:
                37 1x7=7, 1x3=3

                x 21              2x7=14, 2x3=6, 6+1=7
             -----------
                37                7+0=7, 3+4=7, 7+0=7
                      +74
                  -----------
                     777
     Como nosso cérebro só sabe multiplicar números menores que 10, dividimos a operação em várias etapas, e encontramos assim o resultado 777. Esta multiplicação “complexa” precisou ser composta a partir de 4 multiplicações simples e 4 adições. Um microprocessador de 4 bits como o 4004 faz esse mesmo tipo de desmembramento para operar com números maiores. Depois do 4004, a Intel lançou o 8008, que era um microprocessador de 8 bits. Era muito mais rápido que o 4004, já que podia operar com números maiores. Com 8 bits, esse chip podia operar diretamente com números entre 0 e 255. O que o 4004 precisava de duas etapas para realizar, podia ser realizado em uma única etapa pelo 8008. Esses chips eram caríssimos.
Custavam, na época do seu lançamento, mais de 1000 dólares!
     Depois do 8008, a INTEL lançou um novo microprocessador de 8 bits, chamado de 8080. Era mais rápido e mais barato que o 8008. O 8080 foi o primeiro microprocessador a ser usado em larga escala nos chamados “computadores pessoais”. Antes deles, os microcomputadores eram usados apenas em laboratórios científicos, em fábricas e em universidades. O 8080 popularizou o uso de microcomputadores por pequenas empresas e até para uso pessoal. Já no final dos anos 70 eram comuns os micros pessoais baseados no 8080 e em outros microprocessadores rivais: o MC6800 da Motorola, o 6502, usando em um antigo microcomputador chamado de APPLE, e o Z-80 fabricado pela ZILOG, usado em um antigo computadorchamado TRS-80. Surgia então a indústria dos microcomputadores. Ao
mesmo tempo, surgia a indústria do software para microcomputadores, quecriava programas de vários tipos para serem usados nessas máquinas. Osmicrocomputadores dessa época já usavam teclado, vídeo e impressora. Seusdados e programas eram armazenados através de em gravadores de fita K-7
adaptados para trabalhar com microcomputadores.A Intel produziu ainda nos anos 70, um outro microprocessador para substituir o 8080. Chamava-se 8085. Todos esses microprocessadores (8080,8085, Z-80, 6502, 6800 e outros) operavam com 8 bits.
     Diretamente do túnel do tempo (1981), a figura 10 mostra um dos primeiros microcomputadores brasileiros, o Schumec M-101/85. Tinha um microprocessador Intel 8085 de 6 MHz, 16 KB de memória e um gravador de fita K-7 (Gradiente) para armazenamento de programas e dados. Seu monitor de vídeo era na verdade uma TV Philips adaptada, já que nesta época o Brasil não fabricava monitores.
     Em meados dos anos 90, os microprocessadores passaram a ser chamados simplesmente de processadores. Você certamente está acostumado a ouvir termos como “processador Pentium III”, “processador Athlon”, “processador K6-2”, e assim por diante. Realmente a palavra “processador” é mais simples que “microprocessador”, e do ponto de vista de marketing, valoriza o componente. Neste livro, a partir deste ponto, também adoraremos o termo “processador”.

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