Pipeline

Na década de 70 surge uma nova técnica chamada pipeline, onde a execução das instruções é dividida em várias fases consecutivas e o processador é organizado em estágios correspondentes para execução dessas instruções.

.Pipeline é uma técnica de implementação de processadores que permite a sobreposição temporal de diversas fases de execução de instruções.

.Em outras palavras, é uma técnica de projecto onde o hardware processa mais de uma instrução de cada vez sem esperar que uma instrução termine antes de começar a outra.

 Processo sem aplicação do pipeline numa lavandaria

 Processo com aplicação do pipeline numa lavandaria

Cálculo do tempo das instruções com pipeline 

 

Pipeline 

 

Em suma, o pipeline melhora o desempenho por meio do aumento do throughput das instruções, ou seja, aumento o número de instruções executadas na unidade de tempo, e não pela diminuição do tempo de execução de uma instrução individual.

.Speedup ideal é o número de estágios no pipeline.

.Throughput (ou taxa de transferência) é a quantidade de dados transferidos de um lugar a outro, ou a quantidade de dados processados em um determinado espaço de tempo.

.Speedup potencial = número de estágios do pipeline.

CPU-Instruções

Instruções de Máquina

A operação de uma UCP é determinada pelas instruções que ela executa, conhecidas como instruções de máquina. A colecção das diferentes instruções que a UCP é capaz de executar é conhecida como o conjunto de instruções do processador, o qual pode variar de um fabricante para outro e mesmo de um modelo para outro de processador.

CISC

CISC (sigla para Complex Instruction Set Computer, ou, em uma tradução literal, "Computador com um Conjunto Complexo de Instruções"): é uma linha de arquitetura de processadores capaz de executar centenas de instruções complexas diferentes sendo, assim, extremamente versátil. Exemplos de processadores CISC são os 386 e os 486 da Intel.

RISC

Reduced Instruction Set Computer ou Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções (RISC), é uma linha de arquitetura de processadores que favorece um conjunto simples e pequeno de instruções que levam aproximadamente a mesma quantidade de tempo para serem executadas.

Formato das Instruções

Cada instrução consiste num grupo de bits que pode ser dividido em duas partes:
• a primeira parte indica o que é a instrução e como será executada, sendo constituída de um só campo;
• a segunda parte refere-se ao(s) dado(s) que será(ão) manipulado(s) na operação, podendo ser constituída por mais de um campo.

Tamanho das instruções

A definição dos códigos de operação do conjunto de instruções de um processador pode ser feita por duas maneiras:
• instruções com C.Op. de tamanho fixo;
• instruções com C.Op. de tamanho variável.

Tipos de instruções

.Instruções aritméticas

.Instruções lógicas (ou booleanas)

.Instruções de memória

.Instruções de E/S

.Instruções de teste

.Instruções de desvio

Ciclo de Intruções 

CPU - Central Processing Unit

CPU

 

O processador é responsável pela actividade fim do sistema, isto é,computar, calcular, processar.Um processador tem, por propósito, realizar operações com dados. Os elementos que exercem a função controle:

-Unidade de Controle

-Descodificador de Instrução

-Registador de Instrução

-Contador de Instrução

-Relógio

-Registador de Endereços
da Memória

-Registador de Dados da Memória.

 

 

 

 

ALU

A ULA (“ALU”) é o dispositivo do processador que efectivamente executa as operações matemáticas com os dados.Ela é composta por dispositivos lógicos digitais simples, capazes de armazenar bits e efectuar operações simples de lógica booleana. Os dados são fornecidos à ULA em registadores e uma vez processados eles são armazenados novamente em registadores.

Fig. 2 - ALU

UC

A UC é o dispositivo mais complexo do processador.
Ele possui a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e instruções “de” e “para” o processador, através dos sinais de controle que emite em instantes de tempo determinados conforme uma programação prévia.

Fig. 3 - Unidade de Controle

Registadores utilizados no CPU


Registrador de Instrução – RI (Instruction Register – IR)

Tem a função de armazenar a instrução a ser executada pela UCP.

Contador de Instrução – CI (Program Counter – PC) 

Armazena o endereço da próxima instrução a ser executada, sendo
crucial para o processo de controle e da execução dos programas.

Registrador de Dados da Memória – RDM (Memory Buffer Register MBR)

É utilizado pela UCP para a transferência de informações entre esta e o barramento de dados.

Registrador de Endereços da Memória – REM (Memory Address Register MAR)

Armazena o endereço da memória onde a informação deve ser lida ou
escrita.

Função do Relógio 

O relógio (clock) é um dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo.A quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em um segundo define a unidade de media do relógio denominada frequência, a qual também é utilizada para definir a velocidade da UCP.

 

Processadores AMD

Sistema Desktop

Fig.1 - Processador AMD (Clique na imagem para ampliar)

Fig.2- Processadores AMD

Existem ainda outros processadores da AMD, acima mencionados na figura 2, para ver aceda ao seguinte link: AMD

Sistema LAPTOP

Fig.3- Processadores AMD (Clique na imagem para ampliar)

Fig.4 -Processadores AMD

Existem ainda outros processadores da AMD para o sistema LAPTOP, acima apresentados na figura 4, para ver aceda ao link:AMD

SERVER

Fig.5- AMD Opteron™ 6000 Series Platform( Clique para ampliar a imagem)

Fig.6 - Processadores AMD

Existem ainda outros processadores, apresentados acima na figura 6, para ver aceda ao link:AMD

Processadores Intel

Sistema LAPTOP

Fig.1- Processador  da Intel I3 ( Clique na imagem para alargar)

Fig.2- Processador Intel I5 (Clique na imagem para alargar)

Fig.3- Processador Intel I7(Clique na imagem para alargar)

Fig.4- Processador Intel I7 Extreme Edition (Clique na imagem para alargar)

Sistema Desktop

Fig.1- Processador Intel I3 (Clique na imagem para alagar)

Fig.2- Processador Intel I5 (Clique na imagem para alargar)

Fig.3-Porcessador Intel I7 (Clique na imagem para alargar)

Fig.4- Processador Intel I7 Extreme Edition (Clique na imagem para alargar)

Evolução de Processadores

Fig.1- Evolução dos Processadores da 1ª até a 4ª geração 

Fig.2- Evolução dos Processadores da 5ª até a 8ª geração 

Fig.3- Modelos de Processadores Da Intel e Da AMD

 

Fig.4- Evolução Dos Processadores

Fig.5- Evolução Dos Processadores

Interfaces da memória de secundária

Porta série
As portas série representam os primeiros interfaces que permitiram aos computadores trocar informações com “o mundo externo”. O termo série designa um envio de dados através de um fio único: as bits são enviadas umas a seguir às outras (consulte a secção transmissão de dados para um curso teórico sobre os modos de transmissão).

Velocidade 115.200 bit/s

Surgiu em 1969 pela IBM

Comunicação em serie

Destina-se a modems, ratos, impressoras, scanners etc...

Fig.1- Porta Série

Porta Paralela
A transmissão de dados em paralelo consiste em enviar dados simultaneamente sobre vários canais (fios). As portas paralelas presentes nos computadores pessoais permitem enviar simultaneamente 8 bits (um byte) através de 8 fios.

Velocidade 50 a 100 KB/s.

Surgiu em 1981 pela IBM

Comunicação em série

Destina-se a scanners, câmeras de vídeo, unidade de disco removível entre outros.

Fig.2-Porta Paralela

USB
Universal Serial Bus (USB) é um tipo de conexão "ligar e usar" que permite a conexão de periféricos sem a necessidade de desligar o computador.

Fig.3-USB

FireWire

O FireWire é uma interface serial para computadores pessoais e aparelhos digitais de áudio e vídeo que oferece comunicações de alta velocidade e serviços de dados em tempo real. O FireWire pode ser considerado uma tecnologia sucessora da quase obsoleta interface paralela SCSI.

Velocidades 786,432 Mbit/s

Data de lançamento 1990

Comunicação em serie

Fig.4-FireWire

e-SATA

O eSATA (external SATA) é um padrão de conector SATA externo, que mantém a mesma velocidade de transmissão. As placas-mãe mais recentes já estão vindo com conectores eSATA embutidos, mas também é possível utilizar uma controladora PCI Express, ou mesmo PCI. O eSATA está sendo usado por diversos modelos de gavetas para HD, substituindo ou servindo como opção ao USB. A vantagem é que você não corre o risco do desempenho do HD ser limitado pela interface.

Velocidades 150 MB/s

Data de lançamento 2004

comunicação em serie

Destina-se a ligar discos sata externos.

Fig.5-e-SATA

Light Peak

Light Peak é uma interface de cabo óptico projetado para conectar dispositivos em um barramento periférico.

Velocidade 10Gb/s

Data de Lançamento 2009

Comunicação em serie

Fig.6- Light Peak

Interfaces de memória secundária

Serial SATA é uma tecnologia de transferência de dados entre um computador e dispositivos de armazenamento em massa (mass storage devices) como unidades de disco rígido e drives ópticos.O sata atinge uma transferência máxima de 300 MB/s. SATA II é geralmente compatível com SATA I, tanto de SATA II para SATA I quanto ao contrário, o que permite usar os mesmos plugs e os mesmos cabos.

Fig.1-Interface SATA

SCSI, é uma tecnologia que permite ao usuário conectar uma larga gama de periféricos, tais como discos rígidos, unidades CD-ROM, impressoras e scanners.Existe uma grande variedade de padrões de dispositivos SCSI, sendo que estes inicialmente usavam interfaces paralelas.

Fig.2- Interface SCSI

IDE (Integrated Drive Electronics) é uma interface que foi criada para conectar dispositivos ao computador. Foi desenvolvida pela Western Digital e pela Compaq em 1986, inicialmente foi muito usada em discos rígidos, a ponto de hoje em dia as pessoas acharem que IDE é uma característica dos discos rígidos.

Fig.2- interface IDE

Tabela Velocidade IDE e SATA

Barramento de Expansão

ISA

Numero de bits: 8 ou 16 bits

Velocidade: 8bits: 2.33MB/S, 16bits: 8.33MB/S

Utilizado para ligar vários tipos de placas de expansão

Data em que surgiu: 1981

Fig.1 - Barramento ISA


PCI
Numero de bits: 32 bits ou 64 bits
Velocidade: 32 bits: 132MiBps, 64bits: 264MiBps
Conecta os periféricos em computadores baseados na arquitetura IBM PC
Data em que surgiu: 1990

Fig.2 - Barramento PCI

AGP
Numero de bits: 32 bits
Velocidade: 32 bits: 266MiBps
Uiliza o padrão para conectar um tipo de periférico a uma placa-mãe de computador,utilizado para a placa gráfica
Data em que surgiu: 1996

Fig.3 - Barramento AGP

PCI Express

Data em que surgiu: 2004

Tabela de velocidade do PCI Express

Tabela de velocidades dos barramentos

Gestão de memória e DMA

A memória física de um sistema divide-se em duas categorias :
-a memória viva: composta por circuitos integrados, por conseguinte muito rápida.

-a memória de massa: composta por suportes magnéticos (disco duro, bandas magnéticas…), muito mais lenta.

Gestao de memória é um complexo campo da ciência da computação e são constantemente desenvolvidas várias técnicas para torná-la mais eficiente. Em sua forma mais simples, está relacionado em duas tarefas essenciais:A cada dia que passa os programadores necessitam de mais memória e mais programas rodando simultaneamente para poderem tratar cada vez mais informações. O tratamento necessário da memória utilizada não é uma tarefa fácil de ser implementada. Existem vários requisitos que devem ser observados para o correto funcionamento, tais como, Segurança, Isolamento, Performance, entre outros. Para isto a função de gerenciar a memória passa a ser do sistema operacional e não mais do aplicativo. Para que uma memória funcione de maneira correta, é necessário que se tome cuidado com vários elementos como segurança e isolamento, e para isso é utilizado o gerenciamento de memória. Este desenvolve sua função a partir de duas tarefas, a Alocação de Memória e a Fragmentação.

Fig.1 - DMA

O DMA permite que certos dispositivos de hardware num computador acedam a memória do sistema para leitura e escrita independentemente da CPU. Muitos sistemas utilizam DMA, incluindo controladores de disco, placas gráficas, de rede ou de som.O acesso dirceto da memória é usado igualmente para transferência de dados de núcleos em processadores multi-core, em especial nos sistema-em-microplaquetas do processador, onde seu elemento de processamento é equipado com uma memória local ,e o acesso direto da memória é usado para transferir dados entre a memória local e a memória principal. Os computadores que têm os canais de acesso direto a memória podem transferir dados aos dispositivos com muito menos perdas gerais de processamento do que computadores sem uma via de acesso direto à memória. Com acesso direto da memória, o processador central executa transferências, faz outras operações enquanto alguma transferência estiver em andamento, recebe uma interrupção do controlador de acesso direto da memória uma vez que a operação foi feita.

Bus mastering é um recurso suportado por algumas arquiteturas de barramento, que permitem que um controlador - principalmente discos rígidos, unidades de CD-ROM e DVD-ROM, conectado a interface IDE ou SATA - se comunique diretamente com outro dispositivo, ou seja, a memória.

Fig.2 - Controladora de DMA e Bus Mastering

Memória Cache

A memória cache é um dispositivo de acesso rápido, interno a um sistema, que serve de intermediário entre um operador de um processo e o dispositivo de armazenamento ao qual esse operador acede. A vantagem principal na utilização de uma cache consiste em evitar o acesso ao dispositivo de armazenamento que pode ser demorado, armazenando os dados em meios de acesso mais rápidos tendo desvantagem o custo.

Fig.1 - Pirâmide da Memória Cache

Tipos de memória Cache

Cache Primeiro Nível (L1)

O cache primário, ou L1, fica embutido no próprio processador e é rápido, justamente para poder acompanhar o processador. Este é o tipo de memória cache caro. Em alguns tipos de processador, como o Pentium 2, o L1 é dividido em dois níveis: dados e instruções.

Cache Segundo Nível (L2)

O cache secundário, ou L2, é um tipo bem mais barato, porém muito mais lento. O cache secundário é utilizado como complemento ao primário e contém muito mais memória que o cache L1.A memória cache L2 é um dos elementos essenciais para um bom rendimento do processador mesmo que tenha um clock baixo.

Cache Terceiro Nível (L3)

Este tipo de cache utilizava o cache externo presente na como uma memória de cache adicional. Ainda é um tipo de cache raro devido a complexidade dos processadores actuais.


Componentes onde é aplicada

Existem actualmente dispositivos que dispõe de cache, sendo as unidades de disco e dispositivos multimédia os casos mais típicos. No caso das interfaces de disco a quantidade de cache chega a atingir os 16 MB.

Memória Ram

Memória DRAM

DRAM é um tipo de memória RAM de acesso directo que armazena cada bit de dados num condensador. Apresentam alta capacidade de armazenamento, baixo consumo de energia, velocidade de operação moderada, armazenam 1s e 0s como carga de MOS, baixo custo. Porém existem desvantagens: necessitam de recarga periódica das células de memória; operação de refresh de cada célula a cada 2~10 ms.

Fig.1 - Memória DRAM

Memória SRAM

Memória SRAM (Static Random Access Memory) é um tipo de memória de acesso aleatório que mantém os dados armazenados desde que seja mantida sua alimentação, não precisando que as células que armazenam os bits sejam refrescadas. São aquelas que só podem manter a informação armazenada enquanto a alimentação estiver aplicada ao chip. As células de memória das RAMs estáticas são formadas por flip-flops que estarão em certo estado (1 ou 0), por tempo indeterminado.Estão disponíveis nas tecnologias bipolar e MOS.

Fig.2 - Memória SRAM

Tipos de memória DRAM

As memórias SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) por sua vez, são capazes de trabalhar sincronizadas com os ciclos da placa-mãe, sem tempos de espera. Isso significa que a temporização das memórias SDRAM é sempre de uma leitura por ciclo.

Fig.3- SDRAM

A VRAM é uma variante de duas portas de RAM dinâmica (DRAM), usada para armazenar o framebuffer em algumas placas gráficas.Leitura contínua e sequencial dos dados para o DAC de video e escrita aleatória a partir da CPU.

Fig.4 - VRAM

EDO DRAM simila à FPM.Um novo ciclo de acesso pode ser iniciado enquanto os dados do ciclo anterior são lidos (dado mantido até novo CAS="0"). Também chamada de Hyper Page DRAM.

Fig.5- EDO DRAM

FPM DRAM opera com paginação de dados em que uma linha pode ser mantida (RAS) enquanto o endereço é mudado e as colunas acessadas (CAS).

Fig.6- FPM DRAM

BEDO DRAM variante da EDO. Contador interno incrementa até 4 endereços sequenciais reduzindo os tempos de acesso.

Fig.7 - BEDO DRAM