MIP

INTRODUÇÃO AOS MICROPROCESSADORES

Fundamentalmente, computadores são máquinas cuja unidade elementar é o processador, ou microprocessador (μP), o qual é responsável pela coordenação e execução das tarefas.

Esta disciplina tem por objetivo introduzir o aluno no universo dos microprocessadores.

Fotografia de um processador ARM1

Existem atualmente inúmeras famílias destes dispositivos, das mais antigas, às mais recentes; das mais sofisticadas, às mais simples. No entanto, todos os microprocessadores têm um conjunto de características similares, em comum, e são estas características que serão enfocadas nesta disciplina.

Arquitetura de um processador Z80

Quando for necessário particularizar algum conteúdo, será dada preferência à plataforma ARM, por ser uma das mais utilizadas atualmente.

Mas, afinal, o que são microprocessadores???

Link da Wikipedia

MICROPROCESSADORES

Um microprocessador é um processador de computador que incorpora as funções de uma unidade de processamento central (CPU) em um único circuito integrado (IC), [1] ou no máximo alguns circuitos integrados. [2]

O microprocessador é um circuito digital integrado polivalente, sincronizado com um relógio (ou clock), baseado em registradores e que aceita números binários de dados como entrada, processa-os de acordo com instruções armazenadas na memória , e fornece os resultados como saída.

Os microprocessadores utilizam lógica combinacional e lógica digital seqüencial .

Os microprocessadores operam em números e símbolos representados no sistema de numeração binário .

A integração de uma CPU inteira em um único chip ou em alguns chips reduziu muito o custo da capacidade de processamento, aumentando a eficiência.

Os processadores de circuitos integrados são produzidos em grande escala, por processos altamente automatizados resultando em um baixo custo por unidade.

Os processadores de chip único aumentam a confiabilidade, pois há muitas menos conexões elétricas possíveis de falhar.

À medida que os projetos de microprocessadores melhoram, o custo de fabricação de um chip (com componentes menores construídos em um chip de semicondutor do mesmo tamanho) geralmente permanece o mesmo.

Antes de microprocessadores, pequenos computadores foram construídos usando placas de circuitos com muitos circuitos integrados de média e pequena escala .

Os microprocessadores combinaram isso em um ou alguns circuitos integrados de grande escala. Os aumentos contínuos na capacidade do microprocessador tornaram já outras formas de computadores quase completamente obsoletas (ver histórico de hardware computacional ), com um ou mais microprocessadores usados em tudo, desde os mais pequenos sistemas incorporados e dispositivos portáteis até os maiores mainframes e supercomputadores .

Histórico dos Microprocessadores

Embora as primeiras gerações de computadores tivessem obtido grande sucesso nas décadas de 50 e 60, apresentavam alguns inconvenientes: o tamanho e a velocidade. Um impacto tecnológico viria a reduzir as dimensões dos computadores ao mesmo tempo em que os tornariam mais rápidos: o surgimento dos microprocessadores.

A origem dos microprocessadores data de 1971, quando a Intel Corporation lançou no mercado o microprocessador 4004, denominado originalmente como “calculadora em um único chip”, podendo ser considerado como o primeiro processador de propósito geral. Possuía em torno de 3.000 transistores e logo surgiram aplicações para ele. A partir desta nova tecnologia surgiriam as calculadoras mais modernas, os computadores pessoais (PC), as “workstations”, e atualmente os microprocessadores vêm derrubando a última fronteira na área dos computadores: os “mainframes”.

Intel 4004 é uma Unidade Central de Processamento com 4-bits. Fabricado pela Intel Corporation em 1971, foi o primeiro microprocessador comercialmente disponível pela Intel em um chip simples, assim como o primeiro disponível comercialmente.O design dos chips começou em abril de 1970, quando Federico Faggin se juntou à Intel, e foi concluído sob sua liderança em janeiro de 1971.A primeira venda comercial do 4004 totalmente operacional ocorreu em março de 1971 para a Busicom Corp. do Japão, para o qual foi originalmente projetado e construído como um chip personalizado.Em meados de novembro do mesmo ano, com o anúncio profético anunciando uma nova era na eletrônica integrada, o 4004 foi comercializado no mercado geral.O 4004, a primeira CPU monolítica comercialmente disponível, totalmente integrada em um pequeno chip. Essa aparência de integração foi possível graças ao uso da tecnologia de porta de silício, então nova, para circuitos integrados, desenvolvida originalmente por Federico Faggin (com Tom Klein) na Fairchild Semiconductor em 1968, que permitiu o dobro do número de transistores de lógica aleatória e um aumento de velocidade em um fator de cinco em comparação com a tecnologia de porta de alumínio MOS em exercício. Faggin também inventou a carga de inicialização com porta de silício e o "contato enterrado", melhorando a velocidade e a densidade do circuito em comparação com o portão de alumínio.O microprocessador 4004 é uma dos 4 chips que constituem o conjunto MCS-4, que inclui a 4001 ROM, 4002 RAM e 4003 Shift Register.Com esses componentes, pequenos computadores com diferentes quantidades de memória e instalações de E / S podem ser criados.

Embora projetado originalmente para ser um componente de calculadoras, o 4004 logo encontrou muitos usos. A Intel iniciou um processo que logo fez alguns outros fabricantes de chips a embarcar em projetos para desenvolverem firmemente os microprocessadores mais capazes, o que gerou a tendência que criou as indústrias multibilionárias dos microprocessadores e dos microcomputadores atuais. Marcian “Ted" Hoff contribuiu com a proposta arquitetônica para o MCS-4 em 1969, mas ele não era um projetista de chips (chip designer) e não participou em seu projeto (design) e desenvolvimento. O projeto começou mais tarde, em abril de 1970, quando Federico Faggin, um físico nascido na Itália, se juntou a Intel como líder de projeto e projetista da família MCS-4. Faggin foi o primeiro projetista de chips que obteve sucesso integrando uma CPU em um único chip (o Intel 4004, o primeiro microprocessador do mundo), em 1970-1971. A Intel contratou o Faggin da Fairchild onde ele tinha desenvolvido a original tecnologia de porta de silício (silicon gate technology: SGT) com portas auto-alinhadas (self-aligned gates) em 1968 e também tinha criado o primeiro circuito integrado comercial do mundo usando a tecnologia de porta de silício: o Fairchild 3708. Na Intel, Federico Faggin criou uma nova metodologia de projeto em porta de silício que ainda não existia (porque a tecnologia SGT era muito nova e somente tinha sido usada para construir memórias) e contribuiu em muitas outras invenções indispensáveis para a criação do primeiro microprocessador em um único chip, por exemplo: a invenção do "contato enterrado" um método para criar contato direto entre o silício poli cristalino e as junções que permitiram dois níveis de interconexões, um com silício e o outro com alumínio; a invenção do “bootstrap loads” em inglês, permitindo que a saída da porta tenha a mesma voltagem da fonte, usando silício poli cristalino (uma ideia então considerada impossível de alcançar); um layout muito inovador; a invenção de muitos circuitos especiais, por exemplo um novo registro estático de deslocamento, um novo tipo de contador e um novo circuito automático de reset (Reset ao-Ligar (Power-on Reset - PoR) em inglês) (patente 3.753.011). Masatoshi Shima, um designer de lógica e software da Busicom, sem qualquer experiência prévia em projeto de chips, ajudou ao Faggin no desenvolvimento do MCS-4 e mais tarde se juntou a ele na Zilog, a primeira empresa exclusivamente dedicada a microprocessadores, fundada por Federico Faggin e Ralph Ungermann ao término de 1974. Faggin e Shima desenvolveram juntos o microprocessador Z80, ainda em produção até os dias atuais.

1.3. O MICROCOMPUTADOR PESSOAL (PC) E AS “WORKSTATIONS” O microcomputador pessoal surgiu a partir da evolução dos microprocessadores, correspondendo a um sistema computacional completo, constituído pelo microprocessador, memória primária de armazenamento de dados e programas, memória secundária de armazenamento (disco magnético rígido e flexível, ótico, fita magnética), dispositivos convencionais de entrada (teclado, mouse) e saída (monitor, impressora, caixas de som). Uma workstation apresenta como principais características, além das citadas para um microcomputador, a alta capacidade de processamento de operações matemáticas em ponto flutuante, a alta resolução gráfica e a maior capacidade de armazenamento.

1.4. APLICAÇÕES DE MICROPROCESSADORES No nosso dia-a-dia nos deparamos com inúmeras aplicações de microprocessadores, sendo que na maioria das vezes de forma desapercebida. Pode-se citar, apenas a título de exemplo: o relógio digital/despertador, calculadoras, alarmes anti-furto de residências e automóveis, o controle de injeção de combustível em automóveis, os eletrodomésticos como microondas e máquinas de lavar-louças, videocassetes, etc. Também não podemos deixar de mencionar os microcomputadores, hoje presentes não só no ambiente de trabalho (escritórios e linhas de produção), mas também em muitas residências.

1.5. EVOLUÇÃO DOS MICROPROCESSADORES Existem diversos fabricantes de microprocessadores que foram surgindo desde o lançamento pioneiro da Intel, como a Motorola, a Zilog e a Texas Instruments, entre outros. A Intel, após o lançamento do microprocessador 4004, concebeu outros microprocessadores, e alguns deles foram utilizados na implementação dos primeiros PCs, tornando-se referência de mercado. Os principais microprocessadores lançados no mercado pela Intel são: • 4004 (1971): primeiro microprocessador de 4 bits, contendo 45 instruções e 4 Kbytes de capacidade de endereçamento de memória. Foi utilizado em aplicações simples, como calculadoras, os primeiros vídeo games e pequenos sistemas de controle. • 8008 (1972): primeiro microprocessador de 8 bits, possui capacidade de endereçamento de memória e 16 Kbytes. Utilizado em aplicações mais complexas que o anterior, onde a manipulação de caracteres de 8 bits era importante, como caixas registradoras. Logo tornou-se obsoleto pela sua limitação de endereçamento de memória. • 8080 (1973): primeiro dos microprocessadores modernos de 8 bits. A partir dele outros fabricantes começaram a lançar seus microprocessadores de 4 e 8 bits, alavancando um grande avanço tecnológico nesta área. Ele é capaz de endereçar 64 Kbytes de memória, possui mais instruções do que o anterior e ainda utiliza um clock cerca de 10 vezes mais rápido que o 8008. Além disso, possui a vantagem de ser compatível com a família TTL, facilitando o seu interfaceamento com outros componentes. • 8085 (1976): este processador pode ser considerado a nova versão do 8080 Além de mais rápido, possuindo algumas características extras, como a incorporação do gerador de clock e circuitos internos para a geração de sinais de controle, diminuindo o número de componentes adicionais necessários para a construção de um sistema. • 8086 (1978): primeiro processador de 16 bits, incorporando instruções de multiplicação e divisão, e com velocidade 3 vezes maior que o 8085. Endereça 1 Mbytes de memória, o que permitiu a concepção dos primeiro microcomputadores da linha PC, e posteriormente os XT, ancestrais dos microcomputadores atuais, que na época até os substituíam em algumas aplicações. Possui ainda um número maior de registradores, possibilitando a agilização de operações entre registradores, sem o envolvimento da memória exterior. • 8088 (1979): possui basicamente as mesmas características do microprocessador anterior, trabalhando internamente com 16 bits, com via de dados externa de 8 bits, o que reduz a sua performance a 75 % da do 8086, mas permitindo a concepção de sistemas mais baratos. • 80186 (1982): evolução do 8086, sendo compatível a nível de software com o seu antecessor. Possui recursos adicionais, como gerador de clock interno, controlador de interrupção programável, temporizadores, unidade programável de ADM (acesso direto à memória) e unidade de seleção de dispositivos de memória e E/S. • 80188 (1982): versão com via de dados externa de 8 bits do 80186. • 80286 (1983): versão avançada do 8086, ainda em 16 bits, tendo sido projetado para permitir aplicações de multi-usuários e multitarefas. Pode endereçar até 16 Mbytes de memória física e 1 Gbytes de memória virtual gerenciada por uma unidade de gerenciamento de memória localizada no próprio processador. É capaz de executar instruções em menos ciclos de clock que o 8086, e foi utilizado pelos microcomputadores PC-AT. • 80386 (1985): versão em 32 do 8086, suportando multitarefa e gerenciamento de memória virtual com ou sem paginação, proteção de software e capacidade de endereçamento de 4 Gbytes de memória física, e 64 Tbytes de memória virtual. Pode chavear entre o modo real e modo protegido de memória via software, sem necessidade de reinicialização. Disponível em duas versões, muito utilizadas nos PCs que sucederam o PC AT: • 386DX: versão com via de dados externa de 32 bits. • 386SX: versão com via de dados externa de 16 bits. • 80486 (1989): versão aprimorada do 80386, incorporando o coprocessador numérico 387 e 8 Kbytes de memória cache. Apresenta uma melhor performance em relação ao 80386, tendo sido concebido sob o conceito das arquiteturas RISC. Disponível nas versões: • 486SX: versão sem o coprocessador numérico 80387. • 486DX: versão com o coprocessador numérico 80387. • 486DX2: versão com clock interno duplicada (2 x 20, 25 ou 33 Mhz). • 486DX4: versão com clock interno triplicada (3 x 25 ou 33 Mhz), e 16 Kbytes de memória cache. • Pentium (1993): contém o equivalente a dois 80486, sendo que o trabalho a ser realizado é dividido automaticamente entre os dois processadores, visando mantêlos ocupados a maior parte do tempo. Possui duas unidades de processamento de números inteiros implementados na forma de pipeline de cinco estágios, que permitem o paralelismo de algumas operações, e duas unidades de memória cache de 8 Kbytes cada para dados e instruções. • Pentium Pro(1995): possui arquitetura semelhante à do Pentium, mas com cache de nível 1 (16 Kbytes) e cache de nível 2 (até 1 Mbytes) conectados ao bus com a mesma freqüência do processador. A freqüência de trabalho está entre 150 Mhz e 200 Mhz. • Pentium MMX(1996): possui arquitetura semelhante à do Pentium, com a incorporação de instruções destinadas ao processamento de imagem. A partir desse processador forami previstas diferentes tensões de alimentação do núcleo e de interação com o meio externo que são respectivamente 2.8V e 3.3V. • Pentium II(1997): possui arquitetura baseada no processador Pentium Pro, com cache de nível 1 de 32 Kbytes que opera na mesma freqüência do processador, e a incorporação de instruções do MMX. O cache de nível 2, com 512 Kbytes, opera na freqüência do bus externo. A freqüência de operação está entre (66 – 100Mhz) x (3– 5). • Pentium II Xeon (1998): possui arquitetura semelhante à do Pentium II, mas com o cache de nível 2 (512 Kbytes ou 1 Mbytes) operando na freqüência do processador. O desenvolvimento deste processador teve o objetivo de suprir o mercado anteriormente suprido pelo Pentium Pro, envolvendo servidores e estações de trabalho. • Outros processadores: 1999: Celeron® Processor, 1999: Pentium® III Processor, 1999: Pentium® III Xeon™ Processor, 2000: Pentium® 4 Processor, 2001: Intel® Xeon™ Processor, 2001: Itanium™ Processor.