Microprocessadores

O cérebro ou motor do PC é o processador (às vezes chamado de microprocessador), ou unidade de processamento central (CPU). A CPU executa o cálculo e processamento do sistema. O processador é o mais fácil componente único caro no sistema, custando até quatro ou mais vezes maior do que a placa-mãe em que se conecta. A Intel é geralmente creditada com criando o primeiro microprocessador em 1971 com a introdução de um chip chamado o 4004. Hoje, a Intel ainda tem controle sobre o mercado de processadores, pelo menos para Sistemas de PC. Isso significa que todos os sistemas compatíveis com PC usam Intel processadores ou processadores compatíveis com Intel de um punhado de concorrentes (como AMD ou Cyrix).

O domínio da Intel no mercado de processadores nem sempre foi assegurado. Embora a Intel seja geralmente creditada por inventar o processador e introduzindo o primeiro no mercado, no final da década de 1970 os dois mais populares os processadores para PCs foram não da Intel (embora um fosse um clone de um Processador Intel). Os computadores pessoais da época usavam principalmente o Z-80 por Zilog e o 6502 da MOS Technologies. O Z-80 foi notado por ser um melhorado e clone mais barato do processador Intel 8080, semelhante ao caminho empresas como AMD, Cyrix, IDT e Rise Technologies clonaram Processadores Pentium da Intel. Nesse caso, porém, o clone tornou-se mais popular que o original.

Naquela época, eu tinha um sistema contendo ambos os processadores, consistindo de um 1MHz (sim, isso é 1, como em 1MHz!) Sistema principal da Apple baseado em 6502 com um Microsoft Softcard (Cartão Z-80) conectado a um dos slots. O Softcard continha um processador 2MHz Z-80. Isso me permitiu executar software para ambos os tipos de processadores em um único sistema. O Z-80 foi usado em sistemas do final dos anos 1970 e no início da década de 1980 que rodava o sistema operacional CP/M, enquanto o 6502 era o melhor conhecido por seu uso nos primeiros computadores da Apple (antes do Mac).

O destino da Intel e da Microsoft mudou drasticamente em 1981 A IBM introduziu o IBM PC, que foi baseado em um processador Intel 4.77MHz 8088 executando o Microsoft Disk Operating System (MS-DOS) 1.0. Desde aquele fatídico decisão foi tomada, sistemas compatíveis com PC usaram uma seqüência de Intel ou Processadores compatíveis com Intel, cada um novo capaz de executar o software do processador antes dele, do 8088 ao atual Pentium III/Celeron e Atlon/Duron. As seções a seguir abrangem os diferentes tipos de processador chips que foram usados em computadores pessoais desde o primeiro PC foi introduzido há quase duas décadas. Essas seções fornecem uma grande quantidade de detalhes técnicos sobre esses chips e explicar por que um tipo de chip de CPU pode fazer mais trabalho do que outro em um determinado período de tempo.

História do Microprocessador Pré-PC

É interessante notar que o microprocessador só existia por 10 anos antes da criação do PC! O microprocessador foi inventado pela Intel em 1971. O PC foi criado pela IBM em 1981. Quase 20 anos depois, estamos ainda usando sistemas baseados mais ou menos no design desse primeiro PC (e principalmente compatível com ele). Os processadores que alimentam nossos PCs hoje são ainda compatível com versões anteriores de muitas maneiras com o 8088 selecionado pela IBM em 1981.

O desenvolvimento do primeiro microprocessador, o Intel 4004, pode ser lido no Capítulo 1, "Fundo do Computador Pessoal." O 4004 processador foi introduzido em 15 de novembro de 1971, e originalmente executado em um relógio velocidade de 108KHz (108.000 ciclos por segundo, ou pouco mais de um décimo de um megahertz). O 4004 continha 2.300 transistores e foi construído em um processo de 10 mícrons. Isto significa que cada linha, traço ou transistor pode ser espaçado em cerca de 10 mícrons (milionésimos de metro) de distância. Os dados foram transferidos quatro bits de cada vez, e o a memória endereçável máxima era de apenas 640 bytes. O 4004 foi projetado para uso em uma calculadora, mas provou ser útil para muitas outras funções por causa de sua programabilidade inerente.

Em abril de 1972, a Intel lançou o processador 8008, que originalmente funcionava em um velocidade do relógio de 200KHz (0.2MHz). O processador 8008 continha 3.500 transistores e foi construído sobre o mesmo processo de 10 mícrons como o processador anterior. O grande a mudança no 8008 foi que ele tinha um barramento de dados de 8 bits, o que significava que ele poderia se mover dados 8 bits por vez—duas vezes mais do que o chip anterior. Também poderia endereço mais memória, até 16KB. Este chip foi usado principalmente em terminais burros calculadoras de uso geral.

O próximo chip na programação foi o 8080, introduzido em abril de 1974, em execução a uma taxa de clock de 2MHz. Devido principalmente à taxa de clock mais rápida, o processador 8080 teve 10 vezes o desempenho do 8008. O chip 8080 continha 6.000 transistores e foi construído em um processo de 6 mícrons. Como o chip anterior, o O 8080 tinha um barramento de dados de 8 bits, para que pudesse transferir 8 bits de dados de cada vez. O 8080 Poderia endereçar até 64KB de memória, significativamente mais do que o anterior chip.

Foi o 8080 que ajudou a iniciar a revolução do PC, pois este era o chip de processador usado no que é geralmente considerado como o primeiro computador, o Altair 8800. O sistema operacional CP/M foi escrito para o 8080 chip, e Microsoft foi fundada e entregou seu primeiro produto: Microsoft BASIC para o Altair. Essas ferramentas iniciais forneceram a base para uma revolução em software porque milhares de programas foram escritos para serem executados nesta plataforma.

Na verdade, o 8080 tornou-se tão popular que foi clonado. Uma empresa chamada A Zilog foi formada no final de 1975, juntamente com vários ex-engenheiros da Intel 8080. Em Julho de Em 1976, lançou o processador Z-80, que era uma versão muito melhorada do 8080. Não era compatível com pinos, mas funções combinadas, como o interface de memória e circuitos de atualização de RAM, o que permitiu mais barato e mais simples sistemas a serem projetados. O Z-80 também incorporou um superconjunto de 8080 instruções, o que significa que poderia executar todos os programas 8080. Também incluiu novos instruções e novos registros internos, de modo que o software que foi projetado para o O Z-80 não seria necessariamente executado no 8080 mais antigo. O Z-80 correu inicialmente em 2.5MHz (versões posteriores correram até 10MHz) e continham 8.500 transistores. O Z-80 pode acessar 64KB de memória.

A Radio Shack selecionou o Z-80 para o TRS-80 Model 1, seu primeiro PC foi também o primeiro a ser usado por muitos sistemas pioneiros, incluindo o Osborne e máquinas Kaypro. Outras empresas seguiram, e logo o Z-80 foi o processador padrão para sistemas que executam o sistema operacional CP/M e o popular software do dia.

A Intel lançou o 8085, seu seguimento ao 8080, em março de 1976. Mesmo embora tenha sido anterior ao Z-80 por vários meses, nunca alcançou a popularidade do Z-80 em sistemas de computadores pessoais. Era popular como um incorporado controlador, encontrando uso em balanças e outros equipamentos informatizados. O 8085 correu em 5MHz e continha 6.500 transistores. Foi construído em um processo de 3 mícrons e incorporou um barramento de dados de 8 bits.

Ao longo de diferentes linhas arquitetônicas, a MOS Technologies introduziu o 6502 em 1976. Este chip foi projetado por vários ex-engenheiros da Motorola que haviam trabalhado em Primeiro processador da Motorola, o 6800. O 6502 era um processador de 8 bits como o 8080, mas vendeu por cerca de $25, enquanto o 8080 custou cerca de $300 quando foi introduzido. O preço apelou para Steve Wozniak, que colocou o chip em seu Apple I e Apple II. O chip também foi usado em sistemas pela Commodore e outros fabricantes de sistemas. O 6502 e seus sucessores também foram usados em jogos de computador, incluindo o original Nintendo Entertainment System (NES) entre outros outros. A Motorola passou a criar a série 68000, que se tornou a base para a linha de computadores Apple Macintosh. Hoje esses sistemas usam o chip PowerPC, que também pela Motorola, e um sucessor para a série 68000.

Todos esses chips anteriores prepararam o cenário para os primeiros chips de PC. Intel introduziu o 8086 em junho de 1978. O chip 8086 trouxe consigo o x86 original conjunto de instruções que ainda está presente em chips compatíveis com x86, como o Pentium III. Uma melhoria dramática em relação às fichas anteriores, o 8086 foi um completo Design de 16 bits com registros internos de 16 bits e um barramento de dados de 16 bits. Isso significava que poderia trabalhar em números de 16 bits e dados internamente e também transferir 16 Bits de cada vez dentro e fora do chip. O 8086 continha 29.000 transistores e inicialmente correu em até 5MHz. O chip também usou endereçamento de 20 bits, ou seja ele pode endereçar diretamente até 1MB de memória. Embora não diretamente para trás compatível com o 8080, as instruções e a linguagem do 8086 eram muito semelhantes e permitiu que programas mais antigos fossem portados rapidamente para serem executados.Isso mais tarde provou importante para ajudar a impulsionar a revolução do software para PC com CP/M reciclado (8080) software.

Embora o 8086 fosse um ótimo chip, era caro na época e muito mais é importante ressaltar que era necessário um design caro de chip e placa de suporte de 16 bits. Ajudar em 1979, a Intel lançou uma versão paralisada do 8086 chamada o 8088. O processador 8088 usou o mesmo núcleo interno que o 8086, tinha o os mesmos registros de 16 bits, e poderia endereçar o mesmo 1MB de memória, mas o barramento de dados externo foi reduzido para 8 bits. Isso permitiu que os chips de suporte do 8-bit 8085 mais antigo para ser usado, e placas e sistemas muito mais baratos poderiam ser feito. É por estas razões que a IBM escolheu o chip aleijado, o 8088, para o primeiro PC.

Esta decisão afetaria a história de várias maneiras. O 8088 foi totalmente software compatível com o 8086, para que ele pudesse executar software de 16 bits. Também, porque o conjunto de instruções era muito semelhante ao anterior 8085 e 8080, e programas escritos para esses chips mais antigos podem ser modificados de forma rápida e fácil para correr. Isso permitiu que uma grande biblioteca de programas fosse rapidamente lançada para a IBM PC, ajudando assim a tornar-se um sucesso. O sucesso esmagador de blockbuster de o IBM PC deixou em seu rastro o legado de exigir compatibilidade com versões anteriores é. A fim de manter o impulso, a Intel foi praticamente forçada a manter a compatibilidade com o 8088/8086 na maioria dos processadores lançado desde então.

De certa forma, o sucesso do PC e a arquitetura Intel que ele contém limita o crescimento do computador pessoal. De outras formas, no entanto, o seu o sucesso tem causado um grande número de programas, periféricos e acessórios para ser desenvolvido, e o PC para se tornar um padrão de fato na indústria. O o processador original 8088 usado no primeiro PC continha cerca de 30.000 transistores e executado em menos de 5MHz. Intel introduziu recentemente uma versão de o Pentium III Xeon com 2MB de cache on-die que tem 140 milhões transistores, o maior de todos os tempos em um único chip de processador. Tanto a AMD quanto a Intel são processadores de fabricação que funcionam a 1GHz (AMD tem alguns direitos de se gabar lá; ele superou a Intel para 1GHz em dois dias), e ambos demonstraram processadores correndo na faixa de 2GHz. E o progresso não pára por aí, nãocomo de acordo com a Lei de Moore, a velocidade de processamento e as contagens de transistores são duplicação a cada 1,5 a 2 anos.

Especificações do Processador

Muitas especificações confusas são frequentemente citadas em discussões de processadores. As seções a seguir discutem algumas dessas especificações, incluindo os dados ônibus, ônibus de endereço e velocidade. A próxima seção inclui uma tabela que lista o especificações de praticamente todos os processadores de PC.

Os processadores podem ser identificados por dois parâmetros principais: quão largos eles são e quão rápido eles são. A velocidade de um processador é um conceito bastante simples. Velocidade é contado em megahertz (MHz), o que significa milhões de ciclos por segundo—and mais rápido é melhor! A largura de um processador é um pouco mais complicada discuta porque existem três especificações principais em um processador que são expresso em largura. Eles são

• Registos internos

• Barramento de entrada e saída de dados

• Barramento de endereço de memória

Sistemas abaixo de 16MHz geralmente não tinham memória cache. Começando com 16MHz sistemas, memória cache de alta velocidade apareceu na placa-mãe porque o principal a memória no momento não podia ser executada em 16MHz. Antes do processador 486, o cache na placa-mãe estava o único cache usado no sistema.

Começando com a série 486, os processadores começaram a incluir o que era chamado de L1 (Nível 1) cache diretamente na matriz do processador. Isso significava que o cache L1 sempre correu a toda a velocidade do chip, especialmente importante quando o mais tarde 486 Chips começaram a funcionar a velocidades mais altas do que as placas-mãe que estavam conectadas entrar. Durante esse tempo, o cache na placa-mãe foi chamado de segundo nível ou cache L2, que funcionava na velocidade mais lenta da placa-mãe.

Começando com o Pentium Pro e o Pentium II, a Intel começou a incluir o cache L2 chips de memória diretamente dentro do mesmo pacote que o processador principal. Originalmente este cache L2 embutido foi implementado como chips fisicamente separados contidos dentro do pacote do processador, mas não uma parte do processador morre. Desde o a velocidade dos chips de memória cache disponíveis comercialmente não conseguiu acompanhar o ritmo da processador principal, a maior parte do cache L2 nesses processadores rodava a meia velocidade (Pentium II/III e AMD Athlon), enquanto alguns executaram o cache ainda mais lento, em dois quintos ou até um terço da velocidade do processador (AMD Athlon).

Os processadores Pentium II, III, Celeron e Athlon (Modelo 1 e 2) originais use 512KB de metade, dois quintos ou um terço do cache L2 de velocidade como Tabela 3.1 shows:

Tabela 3.1 L2 Velocidades de cache

O Pentium Pro, Pentium II/III Xeon, mais recente Pentium III, o Os processadores Celeron, K6-3, Athlon (Modelo 4) e Duron incluem velocidade L2 de núcleo completo conforme apresentado na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 Cache de Velocidade Total

O problema originalmente forçando o cache L2 a ser executado em menos de a velocidade do núcleo do processador era simples: Os chips de cache disponíveis no mercado simplesmente não conseguia acompanhar. A Intel construiu seus próprios chips de memória cache de alta velocidade para os processadores Xeon, mas também os tornou muito caros. Um avanço ocorreu na segunda geração do Celeron, onde a Intel construiu tanto o L1 quanto o L2 caches diretamente no processador morrem, onde ambos correram na velocidade de núcleo completo do chip. Este tipo de design foi rapidamente adotado pelo segundo geração Pentium III, bem como os processadores AMD K6-3, Athlon e Duron. Na verdade, praticamente todos os futuros processadores da Intel e AMD adotaram ou irão adote o cache L2 on-die, pois é a única maneira econômica de incluir o L2 e aumente a velocidade.

A Tabela 3.3 lista as principais especificações para a família de processadores Intel usado em IBM e PCs compatíveis. A Tabela 3.4 lista os processadores compatíveis com Intel da AMD, Cyrix, NexGen, IDT e Rise.

Classificações de Velocidade do Processador

Um mal-entendido comum sobre os processadores são suas diferentes classificações de velocidade. Esta seção cobre a velocidade do processador em geral e, em seguida, fornece mais específico informações sobre processadores Intel.

A velocidade do relógio de um sistema de computador é medida como uma frequência, geralmente expressa como um número de ciclos por segundo. Um oscilador de cristal controla as velocidades do relógio usando uma fatia de quartzo, por vezes, contido no que parece ser uma pequena lata recipiente. Os sistemas mais recentes incluem o circuito do oscilador na placa-mãe chipset, por isso pode não ser um componente separado visível em placas mais recentes. Como a tensão é aplicada ao quartzo, começa a vibrar (oscilar) em um harmônico taxa ditada pela forma e tamanho do cristal (fla). As oscilações emanam do cristal na forma de uma corrente que se alterna no harmônico taxa do cristal. Esta corrente alternada é o sinal do relógio que se forma a base de tempo em que o computador opera. Um sistema de computador típico é executado milhões desses ciclos por segundoentão a velocidade é medida em megahertz. (Um hertz é igual a um ciclo por segundo.) Um sinal de corrente alternada é como uma onda senoidal, com o tempo entre os picos de cada onda definindo a frequência (ver Figura 3.1).

Figura 3.1 Alternando sinal atual mostrando o tempo do ciclo do relógio.

Um único ciclo é o menor elemento de tempo para o processador. Cada a ação requer pelo menos um ciclo e geralmente vários ciclos. Para transferir dados de e para a memória, por exemplo, um processador moderno como o Pentium II precisa um mínimo de três ciclos para configurar a primeira transferência de memória e, em seguida, apenas um ciclo único por transferência para as próximas três a seis transferências consecutivas. O ciclos extras na primeira transferência são normalmente chamados estados de espera. A o estado de espera é um tique-taque do relógio no qual nada acontece. Isso garante que o o processador não está ficando à frente do resto do computador.

Tabela 3.3 Especificações do processador Intel

Tabela 3.4 Processadores AMD, Cyrix, NexGen, IDT e Rise

FPU = Unidade de Ponto Flutuante (matemática interna coprocessador)

WT = Write-Through cache (caches lê apenas)

WB = Write-Back cache (caches lê e escreve)

Autocarro = Velocidade do barramento externo do processador (velocidade da placa-mãe)

Núcleo = Velocidade do núcleo interno do processador (Velocidade da CPU)

MMX = Multimedia extensions, 57 instruções adicionais para gráficos e processamento de som

3DNow = MMX plus 21 instruções adicionais para gráficos e som processamento

Melhorar. 3DNow = 3DNow mais 24 instruções adicionais para gráficos e som processamento

SSE = Streaming SIMD (Single Instruction Multiple Data) Extensões, MMX mais 70 instruções adicionais para gráficos e processamento de som

O tempo necessário para executar as instruções também varia:

• 8086 E 8088. Os processadores originais 8086 e 8088 levam um média de 12 ciclos para executar uma única instrução.

• 286 E 386. Os processadores 286 e 386 melhoram essa taxa para cerca de 4,5 ciclos por instrução.

• 486. O 486 e a maioria dos outros Intel de quarta geração compatíveis processadores como o AMD 5x86 diminuem ainda mais a taxa, para cerca de dois ciclos por instrução.

• Pentium, série K6. A arquitetura Pentium e outros processadores compatíveis com Intel de quinta geração, como os da AMD e Cyrix inclua pipelines de instrução gêmeos e outras melhorias que prevejam operação em uma ou duas instruções por ciclo.

• Pentium Pro, Pentium II/III/Celeron e Athlon/Duron. Estes P6 processadores de classe, bem como outros processadores de sexta geração, tais como aqueles da AMD e Cyrix, pode executar até três ou mais instruções por ciclo.

Diferentes tempos de execução de instruções (em ciclos) tornam difícil compare sistemas baseados puramente na velocidade do relógio ou no número de ciclos por segundo. Como dois processadores que rodam na mesma taxa de clock podem funcionar de forma diferente com um correr "mais rápido" que o outro? A resposta é simples: eficiência.

A principal razão pela qual o 486 foi considerado rápido em relação a um 386 é que ele executa o dobro de instruções no mesmo número de ciclos. A mesma coisa é verdade para um Pentium; ele executa cerca de duas vezes mais instruções em um dado número de ciclos como 486. Isso significa que, dada a mesma velocidade do relógio, um Pentium será duas vezes mais rápido que um 486 e, consequentemente, um processador de classe 133MHz 486 (como o AMD 5x86-133) não é tão rápido quanto um Pentium de 75MHz! Isso é porque Pentium megahertz são "vale" cerca de duas vezes o que 486 megahertz vale a pena em termos de instruções concluídas por ciclo. O Pentium II e III são cerca de 50 por cento mais rápido do que um Pentium equivalente a uma determinada velocidade de clock porque eles podem executar sobre isso muitas mais instruções no mesmo número de ciclos.

Comparando o desempenho relativo do processador, você pode ver que um Pentium de 1000MHz III é aproximadamente igual a um Pentium (teórico) de 1.500MHz, que é aproximadamente igual a um 3.000MHz 486, que é aproximadamente igual a um 6.000MHz 386 ou 286, que é aproximadamente igual a um 12,000MHz 8088. O 8088 do PC original rodava a apenas 4.77MHz; hoje, temos sistemas que são comparativamente cerca de 2.500 vezes mais rápidos! Como você pode ver, você tem que ter cuidado ao comparar sistemas baseados apenas em MHz puro porque muitos outros fatores afetam o desempenho do sistema.

Avaliar o desempenho da CPU pode ser complicado. CPUs com diferentes internos as arquiteturas fazem as coisas de maneira diferente e podem ser relativamente mais rápidas em certas situações coisas e mais devagar nos outros. Para comparar razoavelmente diferentes CPUs em relógio diferente a Intel desenvolveu uma série específica de benchmarks chamada iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance) índice que pode ser executado contra processadores para produzir um indicador relativo de desempenho. O índice de referência iCOMP foi atualizado duas vezes e lançado no iCOMP original, iCOMP 2.0 e agora iCOMP Versões 3.0.

A Tabela 3.5 mostra a potência relativa, ou índice iCOMP 2.0, para vários processadores.

Tabela 3.5 Avaliações do índice Intel iCOMP 2.0

O índice iCOMP 2.0 é derivado de vários benchmarks e é uma indicação estável do desempenho relativo do processador. O benchmarks equilibram inteiro com ponto flutuante e desempenho multimídia.

Recentemente, a Intel descontinuou o índice iCOMP 2.0 e lançou o iCOMP 3.0 index. iCOMP 3.0 é um benchmark atualizado que incorpora um uso crescente de Tecnologia e software 3D, multimídia e Internet, bem como o aumento uso de fluxos de dados avançados e aplicativos de computação intensiva, incluindo 3D multimídia e tecnologia de Internet. iCOMP 3.0 combina seis benchmarks: WinTune 98 Teste avançado de CPU Integer, CPUmark 99, 3D WinBench 99-3D Lighting e Teste de Transformação, MultimediaMark 99, Teste de Processador Jmark 2.0 e WinBench WinMark 99-FPU. Esses benchmarks mais recentes aproveitam o SSE (Streaming SIMD Extensões), gráficos adicionais e instruções de som incorporadas ao PIII. Sem tirar proveito dessas novas instruções, o PIII seria benchmark em aproximadamente a mesma velocidade que um PII na mesma taxa de clock.

A Tabela 3.6 mostra as classificações do iCOMP Index 3.0 para processadores Intel mais recentes.

Tabela 3.6 Avaliações do Intel iComp 3.0