Há alguns termos já referidos, e outros que aparecerão mais adiante, que poderão causar alguma confusão a quem não está familiarizado com eles. Vamos tentar vero significado de alguns desses termos e especificações referentes aos processadores, isto é, termos como barramentos, registos, velocidade e outros.
3.4.1 Barramentos
Uma das características principais de um processador ou CPU são os seus barramentos. Os barramentos são “auto-estradas” por onde circula a informação, seja no interior do CPU ou do interior para o exterior, e vice-versa. Os barramentos internos transportam a informação entre os vários componentes internos do processador, isto é, coprocessador aritmético, cache L1, registos, etc. Quanto aos barramentos externos, já há muito mais a dizer.
Os barramentos externos são três: barramento de dados, barramento de endereços e barramento de controlo, cada qual com a sua função específica. Vamos agora analisar cada um deles, começando pelo barramento de endereços.
3.4.1.1 Barramento de endereços
O barramento de endereços permite identificar qual o componente e a localização exacta dentro do mesmo, para que o processador possa comunicar com ele e enviar os respectivos dados. No entanto, o dispositivo de destino tem de saber que algo lhe é dirigido e para isso usa um descodificador próprio, o “adress decoder”, que lhe permite identificar o endereço e saber qual a localização no seu interior.
Como vimos, o barramento de endereços transporta a informação usada para descrever a localização de memória para a qual os dados serão enviados ou de onde os dados serão recolhidos. Cada fio de barramento de endereços transporta um único bit de informação que corresponde a um só dígito do endereço. Quantos mais fios ou dígitos o processador tiver para calcular estes endereços, maior será o número total de localizações endereçáveis. O tamanho, ou o comprimento do barramento de endereços, indica a quantidade máxima de memória que o processador poderá endereçar, pelo que vamos ver como é que isso funciona.
Como já sabemos, os computadores usam um sistema numérico binário ou de base 2. Assim, um número com dois dígitos permite-nos obter quatro endereços (00,01,10 e 11), calculados do seguinte modo: 2 elevado à potência 2; um número com três dígitos já nos permite oito endereços (000 a 111), que é o mesmo que dizer 2 elevado à 3ª potência.
Por exemplo, um processador Intel 8088/86 tem um barramento de endereços de 20 bits, pelo que teremos 220, o que nos dá 1.048.576 bytes ou 1 MB de endereços de memória.
Vejamos na tabela 3.3 os valores para cada um dos processadores da família Intel.
Processador | Bar.Endereços | Bytes | KB | MB | GB |
8088/86 | 20 bits | 1.048.576 | 1.024 | 1 | 0 |
286/386SX | 24 bits | 16.777.216 | 16.384 | 16 | 0 |
386DX/Pentium Pro | 32 bits | 4.294.967.296 | 4.194.304 | 4.096 | 4 |
Pentium II/III | 36 bits | 68.719.476.736 | 67.108.864 | 65.536 | 64 |
3.4.1.2 Barramento de dados
O barramento mais frequente discutido é o dos dados. Neste barramento, tal como o nome indica, circulam os dados que são recebidos ou enviados, de e para periféricos e memória. Quantos mais sinais puderem ser enviados simultaneamente, maior quantidade de dados pode ser transmitida durante um determinado intervalo de tempo. Assim, e em consequência disso, teremos um barramento mais rápido.
Nos computadores, os dados circulam como informação digital, a qual consiste no intervalo de tempo que um fio condutor leva para transportar um só bit, seja ele de valor “1” ou “0”. Isso quer dizer que, quantos mais fios tiverem, maior será o número de bits individuais que o microprocessador consegue transportar durante o mesmo intervalo de tempo. Assim sendo, um processador de 16 bits tem 16 fios a transmitir e a receber dados, pelo que terá um barramento de dados de 16 bits. Um microprocessador de 32 bits tem o dobro dos fios e assim consegue transmitir o dobro dos dados simultaneamente, durante o mesmo intervalo de tempo que o seu congénere de 16 bits.
Para percebermos isto melhor, vamos utilizar um exemplo que não será do dia-a-dia, mas pelo menos é do fim-de-semana. Imaginemos um estádio de futebol em dia de jogo, onde temos 16 portas que nos permitem fazer entrar 16 adeptos simultaneamente. Se demorar 20 segundos para que cada conjunto entre no estádio, em 1 minuto conseguimos introduzir 48 adeptos. Mas se tivermos 32 portas em vez de 16, conseguimos no mesmo intervalo de tempo fazer entrar o dobro dos adeptos (tabela 3.4).
Na tabela 3.4 podemos ver algumas das características de alguns processadores da Intel e entre elas temos as características do barramento de dados.
Vejamos o significado de cada uma destas características:
Ø Frequência externa – É a velocidade com que o processador comunica com os componentes externos, por outras palavras, a velocidade dos barramentos externos.
Ø Frequência interna – Em oposição à anterior, trata-se da velocidade dos barramentos internos ou, como é mais conhecida, velocidade de processamento.
Ø Registos internos – Indica o maior número que o processador pode manipular numa só operação
Ø Barramento de dados – Transporta os dados de e para o exterior do processador.
Ø Pipelines – Indica quantos processos o processador consegue executar simultaneamente
Ø Memória – Capacidade máxima de memória endereçável pelo processador. Depende do tamanho do barramento de endereços.
Ø FPU – Floating Point Unit ou coprocessador matemático, como é mais conhecido.
Ø Cache L1 – Cache nível 1 ou cache interna
Ø MMX- Capacidade de executar operações multimédia.
Algumas destas noções já foram referidas, as outras serão vista mais à frente.
3.4.1.3 Barramento de dados
O barramento de controlo tem como função primordial a sincronização do processador, provocam estados de espera que necessitam de ser controlados, de modo que a comunicação entre o processador e os componentes externos seja feita eficazmente.
No tamanho dos registos internos temos um bom indicador da quantidade de informação que o processador pode operar num determinado tempo.
Os processadores podem manipular números de qualquer tamanho, mas quanto maior for o número, mais tempo o processador demora a executar as operações necessárias.
Os registos são áreas de armazenamento internas do processador e são usadas para guardar dados que estão por ele a ser “trabalhados”. Os registos são o mais rápido tipo de memória acessível ao processador, isto porque, além de fazerem parte integrante do processador, também estão ligados directamente á sua lógica.
A maior parte das operações é executada nos registos: o processador não pode executar operações aritméticas directamente na memória, por isso, se quisermos adicionar o valor 1 a uma localização de memória, o que o processador faz é carregar o valor inicial da memória para um registo, adicionar 1 ao registo e depois guardar o valor novamente na memória. Podemos analisar um exemplo disso nas páginas referentes ao funcionamento do microprocessador.
Alguns processadores têm um barramento de dados interno de tamanho diferente do barramento de dados externo. Um bom exemplo disso é o 8088 e o 386SX, cada um deles com um barramento de dados interno que é o dobro do correspondente barramento externo. Estes desenhos híbridos são versões mais económicas do processador original. O 386SX, por exemplo, pode transportar dados internamente com um tamanho de registos de 32 bits, mas, para comunicar com o exterior, o chip está limitado a um barramento de dados de 16 bits.
Os registos internos, por vezes, são maiores do que o barramento de dados, o que quer dizer que o processador necessita de dois ciclos de relógio para encher um registo antes de ele poder ser usado. Podemos ver como exemplo disso o 386SX e o 386DX, ambos com registos internos de 32 bits, embora o 386SX necessite de dois ciclos para encher os registos, enquanto que o 386DX necessita somente de um. O mesmo acontece quando os dados são passados dos registos internos de volta ao barramento do sistema.
No entanto, no Pentium temos o caso inverso. O Pentium tem um barramento de dados de 64 bits, mas somente 32 bits nos registos internos. Isto pode parecer problemático para o funcionamento do processador de informação. É quase como se o Pentium tivesse dois processadores de 32 bits num só chip. Além disso, o barramento de dados de 64 bits assegura um funcionamento eficiente desses registos de 32 bits.
3.4.3 Unidade de Interface de Barramentos
É a parte do processador que faz a interface, ou ligação, entre ele e o resto do sistema. O seu nome vem de facto de lidar com a informação que se movimenta através do barramento de dados, a ligação primária para a transferência de informação de e para o processador. Ela é responsável por responder a todos os sinais que vão para o processador e gerar sinais que saem do processador e gerar sinais que saem do processador para o resto do sistema.
3.4.4 Unidade de Controlo
A unidade de controlo é o circuito que controla o fluxo de informação no processador e coordena as actividades das restantes internas.
As funções executadas pela unidade de controlo variam gradualmente de acordo com a arquitectura do CPU, isto é, num processador que execute instruções x86 nativas, a unidade de controlo executa, entre outras, as tarefas de descodificação, gestão de execução e armazenamento de resultados. Num processador de arquitectura RISC, a unidade de controlo tem um trabalho significativamente mais activo. Ela gere a “tradução” de instruções x86 para micro-instruções RISC, gere os tempos de execução das micro-instruções entre as várias unidades de execução e controla o output dessas unidades de modo a que acabem no momento em que é suposto isso acontecer.
3.4.5 Coprocessador Matemático
O coprocessador matemático, ou, mais correctamente, unidade de vírgula flutuante ou FPU (Floating Point Unit), é dedicado à execução de funções ou operações matemáticas com números de vírgula flutuante. Um número de vírgula flutuante é aquele que não é inteiro. Os números inteiros e os dados representados por números inteiros são processados por um outro componente do processador, a Unidade Aritmética e Lógica.
Desde o 486DX que o coprocessador matemático passou a ser uma parte integrante do processador, excepção feita ao 486SX. Nos processadores anteriores ao 486, as operações de vírgula flutuante eram executadas pela unidade aritmética e lógica, excepto nos casos em que o PC possuía um coprocessador matemático externo para a execução dessas operações. O coprocessador trabalhava também com o processador para aumentar a performance de aplicações com cálculo matemático intensivo.
3.4.6 Unidade Aritmética e Lógica
No PC, grande parte do trabalho é feito com informação inteira, isto é, números inteiros e dados que são representados por números inteiros. Nos números incluímos números, caracteres e dados similares. Os números que não são inteiros são números de vírgula flutuante.
É na unidade aritmética e lógica que as instruções são executadas e o trabalho é feito. Nos processadores mais antigos, só existe uma destas unidades, onde as instruções são processadas sequencialmente. Nos processadores mais recentes, já temos unidades, permitindo que mais uma instrução seja executada simultaneamente.
3.4.7 Velocidade do Processador
A velocidade do relógio de sistema de um computador é medida como frequência ou número de ciclos por segundo. Um oscilador de quartzo controla a velocidade de relógio. Quando uma tensão é aplicada ao quartzo, ele vibra a uma determinada frequência. A oscilação emana do cristal na forma de corrente alterna na proporção da harmónica do cristal – esta corrente alterna é o sinal do relógio.
Um computador trabalha a milhões destes ciclos por segundo, pelo que a sua velocidade é medida em megahertz (MHz), isto tenso em linha de conta que um hertz é igual a um ciclo por segundo.
A denominação Hertz foi dada em homenagem ao físico alemão Heinrich Rudolph Hertz. Em 1885, ele provou através da experimentação, a teoria electromagnética, que diz que a luz é uma forma de radiação electromagnética e propaga-se através de ondas.
Quando vemos num processador 600MHz, sabemos que a frequência do relógio é de 600 MHz, pelo que temos na placa principal um pequeno oscilador de quartzo que oscila continuadamente a um determinado número de impulsos por segundo (fig. 3.17). A cada impulso algo acontece no processador. Assim, quantos mais impulsos por segundo, maior número de dados são processados por segundo.
Os primeiros processadores trabalhavam a 4,77 MHz e, subsequentemente, foram aumentando para 8MHz, 16MHz, 25MHz, 66MHz, 90MHz, 133MHz e 200MHz, até às velocidades que hoje conhecemos e que se aproximam cada vez mais dos 200MHz.
Para atingir estes valores de velocidade de processamento, os fabricantes tiveram de utilizar uma técnica de multiplicação de frequência, a qual vamos ver seguidamente.
O grande problema das altas frequências de relógio é conseguirmos assegurar que todos os outros componentes electrónicos trabalhem de acordo com o processador. É relativamente simples fazer com que os dados se movam a grandes velocidades dentro do integrado do CPU. Mas quando essa operação se passa cá para fora, isto é, nos circuitos de apoio, aí pode não correr tão bem. Os outros componentes têm de ser capazes de dar resposta às exigências de velocidade do processador. Quando a frequência atinge valores muito elevados, as pistas do circuito impresso começam a actuar como antenas de radiofrequência, dando-se o aparecimento de várias formas de ruído. Resumindo, torna-se extremamente caro e difícil construir todo o hardware de modo a trabalhar à mesma velocidade do processador.
A solução para o problema é dividir a frequência do relógio por dois:
Ø Uma frequência interna, alta que controla o funcionamento do CPU.
Ø Uma frequência externa, baixa, que controla o barramento do sistema. É aqui que o CPU troca os dados com os dispositivos de I/O.
O primeiro processador a utilizar esta técnica foi o 486DX2 25/50 MHz da Intel, o que proporcionou a possibilidade de se adquirir por um baixo preço um processador que nos dava 90% da performance do 486DX 50. O DX50 trabalhava a 50MHz, tanto internamente como externamente. O DX2 trabalhava a 25MHz externamente, isto é, no barramento de sistema. Isto permitiu a construção de placas debaixo custo e a utilização de memória RAM também mais barata.
Esta duplicação da velocidade do relógio ocorre no interior do processador. Se o cristal da placa principal oscilar a 25MHz, o processador receberá um impulso a cada 40 nanossegundos. No interior do processador esta frequência é dobrada para 50MHz (fig. 3.18). Agora, no interior do processador, o relógio dá um impulso a cada 20 nanossegundos. Esta frequência controla todas as transacções internas., incluindo, entre outras, a unidade de vírgula flutuante, a unidade aritmética e lógica e os registos internos. A única área que continua a funcionar a 25MHz é a das transferências externas de dados, ou seja, a comunicação coma RAM, a Bios e os I/O.
O problema da velocidade também é crucial para a memória RAM. As SIMM FPM ou EDO trabalham a 66MHz; quanto muito poderão chegar aos 75MHz, porque os processadores Pentium necessitam de factores multiplicativos internos que vão de 2 até 5.
Com a introdução , em 1998, da RAM PC100 a trabalhar a 100MHz, juntamente com novos chipsets e placas principais, passou-se a usar factores de 3.5,4 e 4.5, o que permitiu ter CPU a 350MHz e 450MHz. Mas com os Pentium II, Celeron e Pentium III passamos a operar com factores superiores a 12, o que, associado à RAM PC133, nos permitem atingir os 1700MHz.
Já que estamos a falar de velocidade do processador, vamos dizer algumas palavras acerca do overlocking.
Dado que quase todas as placas principais nos permitem alterar livremente a velocidade do barramento e a velocidade do relógio, em princípio, podemos aumentar a velocidade de processamento da nossa máquina, isto é, podemos configurar a nossa placa de modo que o nosso computador funcione, por exemplo, a 800 MHz, mesmo que as características de fábrica digam que ele é um 600 MHz, isto é, se ele funcionar, o que nem sempre acontece.
As frequências que podemos alterar são:
Ø A velocidade de barramento, normalmente de 100MHz ou 133 MHz, mas digamos que a queremos alterar de 100 MHz para 133 MHz.
Ø A velocidade do processador pode também ser aumentada e aqui esse aumento pode ser efectuado de dois modos: pelo aumento da velocidade do barramento e pelo aumento do seu factor multiplicativo.
O resultado de qualquer um destes processos é um processador mais rápido. No entanto, se aumentarmos a velocidade do barramento, isso vai afectar também a velocidade com que os dados são enviados e recebidos da RAM e para isso a RAM também tem de suportar esse aumento.
Por outro lado, quando aumentamos a velocidade interna do processador, temos de ver se as aplicações que utilizamos funcionam eficazmente, pois as muitas aplicações não suportam esse tipo de aventuras.
Quando fazemos o overlocking, temos de ter em atenção um factor extremamente importante nos processadores: aquecimento, já que o aumento da temperatura é um dos maiores perigos para o nosso processador.
Quanto mais aumentarmos a velocidade de processamento, maior necessidade temos de uma boa refrigeração para o processador. Os processadores são construídos com tecnologia CMOS, a qual funciona melhor a baixas temperaturas. Assim, com o aumento da temperatura, podemos ter o resultado oposto ao desejado, isto é, uma drástica diminuição da performance.
Por isso, se está a pensar fazer o overlocking à sua máquina, primeiro veja se o processador o permite, procure saber qual a performance máxima que poderia tirar dele e, muito importante, não se esqueça de reforçar o dissipador de calor do processador. Tente documentar-se o melhor possível acerca do assunto e a Internet é uma óptima fonte de informação.
3.4.8 Cache Interna
A cache interna apareceu pela primeira vez no processador Intel 80486DX e denominou-se L1 (Level 1). Desde esse momento, a cache teve o seu desenvolvimento natural, principalmente em tamanho.
O processador tem de receber e entregar os dados a alta velocidade. A memória RAM não consegue acompanhar essa necessidade de velocidade, pelo que foi criada uma memória RAM especial, a que se chamou cache, a qual é utilizada como área de armazenamento temporário. Para se tirar a máxima performance do CPU, o número de transacções para o exterior deve ser minimizado. Quanto mais dados puderem ser mantidos dentro do CPU, melhor será a performance. Tomemos como exemplo os processadores 486, equipados com uma unidade de vírgula flutuante e uma cache interna de 8 KB. Estes dois elementos ajudam a minimizar o fluxo de dados que entra e sai do CPU, aumentando a sua performance.
Como já vimos, a cache funciona como armazenamento temporário para instruções frequentemente utilizadas, reduzindo assim a busca de dados na memória principal do sistema.
Apesar da cache L1 aparecer inicialmente no 486, a partir do Pentium ela passou a ter um refinamento. O 486 tem uma cache unificada de 8KB, que era usada para o código e para instruções. A partir do Pentium, os processadores passaram a ter a cache L1 dividida em duas partes, sendo uma delas reservada para dados e outra reservada para código. Retomando o exemplo do Pentium, temos uma cache L1 com 16 KB, sendo 8 KB para código e 8 KB para dados. Vejamos as características de cada um destes tipos de cache.
Temos as seguintes características da cache única:
Ø Para um dado tamanho de cache, uma cache única apresenta uma taxa de acerto maior do que caches separadas.
Ø Apenas é necessário projectar uma cache.
Ø A manipulação do código é mais simples.
Vejamos agora as caches separadas:
Ø Reduzem os conflitos de barramento.
Ø Aumentam a disponibilidade da cache quando necessário.
A opção do uso de caches separadas para o Pentium foi devida à necessidade de uma maior largura debanda do que a que era proporcionada pela cache única.
A memória cache torna-se especialmente importante nos processadores em que a frequência interna é multiplicada, o que a torna muito superior à externa. Assim, a cache permite uma recepção e entrega de dados muito mais rápida.
Como já foi referido e podemos ver na figura 3.19, os computadores têm dois níveis de memória cache, a L1 interna e a L2 externa, mas que posteriormente passou também a ser colocada no próprio chip do processador, com notórias vantagens a nível de performance global, como veremos mais à frente.
Sem comentários:
Enviar um comentário