Processadores I

Processadores

 Processadores

O microprocessador, geralmente chamado simplesmente de processador, é um circuito integrado que realiza as funções de cálculo e tomada de decisão de um computador. Todos os computadores e equipamentos eletrônicos baseiam-se nele para executar suas funções, podemos dizer que o processador é o cérebro do computador por realizar todas estas funções, é tornar o computador inteligente.
Um microprocessador incorpora as funções de uma unidade central de computador (CPU) em um único circuito integrado, ou no máximo alguns circuitos integrados. É um dispositivo multifuncional programável que aceita dados digitais como entrada, processa de acordo com as instruções armazenadas em sua memória, e fornece resultados como saída. Microprocessadores operam com números e símbolos representados no sistema binário.

O microprocessador é um circuito integrado formado por uma camada chamada de mesa epitaxial de silício, trabalhada de modo a formar um cristal de extrema pureza, laminada até uma espessura mínima com grande precisão, depois cuidadosamente mascarada por um processo fotográfico e dopada pela exposição a altas temperaturas em fornos que contêm misturas gasosas de impurezas. Este processo é repetido tantas vezes quanto necessário à formação da microarquitetura do componente.
Responsável pela execução das instruções num sistema, o microprocessador, escolhido entre os disponíveis no mercado, determina, em certa medida a capacidade de processamento do computador e também o conjunto primário de instruções que ele compreende. O sistema operativo é construído sobre este conjunto.

O próprio microprocessador subdivide-se em várias unidades, trabalhando em altas freqüências.
A ULA(Unidade Lógica Aritmética), unidade responsável pelos cálculos aritméticos e lógicos e os registradores são parte integrante do microprocessador na família x86 (Intel 8086), por exemplo.

Embora seja a essência do computador, o microprocessador diferente do microcontrolador, está longe de ser um computador completo. Para que possa interagir com o utilizador precisa de:

1. memória, 
2. dispositivos de entrada/saída (I/O), 
3. um clock,  
4. controladores e 
5. conversores de sinais, entre outros. 

Cada um desses circuitos de apoio interage de modo peculiar com os programas e, dessa forma, ajuda a moldar o funcionamento do computador.

A história dos processadores

O processador, também conhecido como CPU (Unidade Central de Processamento), é peça fundamental dos computadores. E não estamos falando apenas dos famosos PCs. Celulares, video games, smartphones, tablets: todos esses dispositivos precisam de processadores para funcionar. Esse componente tão vital é responsável por carregar e realizar as operações aritméticas e lógicas de que os programas de computador fazem uso. Portanto, nada funciona sem a famosa CPU.
Levou décadas para que chegássemos aos modelos atuais de processadores. Na verdade, demoramos alguns anos para chegar também à ideia que temos hoje de como uma CPU funciona. Antes, os softwares não eram compatíveis com todos os modelos de computador, já que eles eram desenvolvidos especificamente para cada máquina.
Isso estava relacionado ao fato de que cada computador era como uma plataforma diferente. Muitas vezes, existia incompatibilidade até mesmo entre modelos de um mesmo fabricante. Por incrível que pareça, isso não chegava a ser uma barreira preocupante, visto que a produção de software ainda não era alta e não existiam muitos programas disponíveis.

O primeiro microchip comercial foi lançado pela Intel em 1971 e chamava-se 4004 (Intel 4004, de 4 bits = 8 bytes), . Era um chip bastante primitivo, que processava instruções de 8 bits, transferia os dados através de um barramento de apenas 4 bits e operava a apenas apenas 740 kHz.

Na verdade, o 4004 era tão lento que demorava 10 ciclos para processar cada instrução, ou seja, ele processava apenas 74 mil instruções por segundo, contra os vários bilhões de instruções por segundo processadas por um chip atual. Hoje em dia esses números parecem piada, mas na época era a última palavra em tecnologia. O 4004 era cerca de 15 vezes mais rápido que o ENIAC e permitiu o desenvolvimento das primeiras calculadoras eletrônicas portáteis.

Pouco tempo depois, a Intel lançou um processador de 8 bits, o 8008 (Intel 8008, de 8 bites = 16 bytes), que foi logo substituído pelo 8080, uma versão aperfeiçoada que fez sucesso durante muitos anos.

Embora ainda fosse um processador de 8 bits, o 8080 era muito mais rápido que o 4004 e oferecia suporte a algumas instruções de 16 bits, que podiam ser carregadas com a ajuda de três pares de registradores. Ele operava a 2 MHz e era capaz de processar 500 mil instruções por segundo, o que na época era um valor assombroso. Como se não bastasse, ele era capaz de acessar incríveis 64 kbytes de memória, mais do que qualquer mortal poderia sonhar... :)

Em 1977 a AMD passou a vender um clone do 8080 (AMD 8080), inaugurando a disputa Intel x AMD, que continua até os dias de hoje.

O 8008 foi o chip usado no Altair 8800 que, lançado no final de 1974, é considerado por muitos o primeiro computador pessoal da história. Na época, computadores eram grandes e absurdamente caros, por isso poucos tinham oportunidade de ter contato com um. Mesmo nos cursos de programação, tudo era feito em papel e apenas os mais sortudos tinham a chance de rodar os programas em um computador real. O Altair foi seguido por muitos computadores pessoais de 8 bits, como o Apple I, Apple II e o ZX-80.

Depois dessa primeira fase, os computadores pessoais finalmente começaram a atingir um nível de desenvolvimento suficiente para permitir o uso de aplicativos sérios. Surgiram então os primeiros aplicativos de processamento de texto, planilhas, e até mesmo programas de editoração e desenho, que aproveitavam ao máximo os recursos oferecidos pelas máquinas de 8 bits da época. Esse mercado crescente chamou a atenção da IBM, o que levou ao início da era PC.

A IBM de 1980 era uma empresa especializada em mainframes e terminais burros. Entretanto, percebendo a crescente demanda por computadores pessoais, decidiram criar um pequeno grupo (que originalmente possuía apenas 12 desenvolvedores) para desenvolver um computador pessoal, sem grandes pretensões.

O PC era considerado um projeto menor dentro da IBM, apenas uma experiência para testar a demanda do mercado. O projeto chegou a ser marginalizado dentro da empresa, pois muitos executivos acreditavam que o IBM PC poderia concorrer com outros produtos do portfólio da IBM, canibalizando as vendas.

Depois de quase um ano de desenvolvimento, o projeto rendeu frutos e o primeiro PC foi lançado em 12 de agosto de 1981

Para cortar custos e acelerar o desenvolvimento, a equipe decidiu que usaria apenas componentes padrão, que pudessem ser encontrados facilmente no mercado. O processador escolhido foi o Intel 8088, uma versão econômica do processador 8086, que havia sido lançado pela Intel em 1978. Quando a IBM estava desenvolvendo seu computador pessoal, chegou a ser cogitado o uso do 8086, mas acabou sendo escolhido o 8088 devido à questão do custo.

Tanto o 8086 quanto o 8088 são processadores de 16 bits, considerados bastante avançados para a época. Um processador de 16 bits é capaz de endereçar mais memória (até 64 KB de memória de cada vez) e processar instruções muito mais complexas que os processadores de 8 bits usados até então.

A grande diferença entre os dois é que o 8086 é um processador de 16 bits "puro", enquanto o 8088 se comunica com os demais periféricos usando um barramento de 8 bits. Isso naturalmente prejudicava o desempenho, mas trouxe uma vantagem importante: a possibilidade de usar os componentes de 8 bits usados em outros computadores da época, que eram muito mais populares e baratos.

Essa arquitetura permitiu ao primeiro PC competir na mesma faixa de preço dos computadores de 8 bits mais populares e, ao mesmo tempo, possuir um desempenho bem superior devido ao seu processador de 16 bits. O 8088 é capaz de acessar até 1 MB de memória RAM (embora o PC original suportasse apenas 256 KB, devido a limitações por parte da placa-mãe) e funciona a 4.77 MHz, oferecendo um desempenho mais do que respeitável para os padrões da época.

Para suportar o 1 MB de memória (mesmo sendo um processador de 16 bits) o 8088 usava a segmentação de endereços, usando 4 bits adicionais de endereçamento para dividir a memória em 16 blocos de 64 KB cada um.

O grande problema com a segmentação é que o processador pode acessar um único bloco de cada vez, constantemente chaveando entre eles. Se um aplicativo está lendo dados no bloco 1 e subitamente precisa de informações armazenadas no bloco 2, o processador precisa limpar todos os endereços relativos ao bloco 1 e carregar os endereços do bloco 2. Neste momento, o processador perde o acesso ao bloco 1 e passa a enxergar apenas o segundo bloco. Quando novamente for preciso ler ou gravar dados no bloco 1 (ou qualquer outro bloco), novamente são carregados os endereços relativos a ele, e o acesso ao bloco 2 é perdido. Como pode imaginar, esse sistema resultava em uma grande penalidade do ponto de vista do desempenho.

Vendo por esse lado o PC original parecia realmente muito primitivo. Para colocar as coisas em perspectiva, é importante lembrar que o principal concorrente do IBM PC na época de lançamento era o Apple II que, embora fosse mais barato e contasse com mais softwares disponíveis, usava um processador de 8 bits operando a apenas 1 MHz, com 4 KB de memória RAM.

Entretanto, o aspecto técnico não foi o determinante para o sucesso do PC. Ele era um bom computador para a época, mas era caro e não tinha nada que os concorrentes não pudessem usar em seus produtos. Ele tinha tudo para ser apenas mais um no mercado, se não fosse um diferencial importante: a arquitetura aberta.

Diferente de outros computadores da época, qualquer fabricante podia desenvolver e vender acessórios para o PC, sem pagar royalties ou fazer acordos de licenciamento. Como todos os componentes podiam ser encontrados no mercado, era possível também desenvolver clones, computadores compatíveis com o PC, fabricados por outras empresas. Isso lentamente fez com que toda a indústria passasse a orbitar em torno do PC, fazendo com que a plataforma crescesse assustadoramente.

ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC - em português: computador integrador numérico eletrônico) foi o primeiro computador digital eletrônico de grande escala. Muitos comentam que o primeiro foi o Mark I, mas este era apenas eletromecânico. Foi criado em fevereiro de 1946 pelos cientistas norte-americanos John Eckert e John Mauchly, da Electronic Control Company
O ENIAC começou a ser desenvolvido em 1943 durante a II Guerra Mundial para computar trajetórias táticas que exigissem conhecimento substancial em matemática, mas só se tornou operacional após o final da guerra.

• Sua capacidade de processamento era de 5.000 operações por segundo;
• Criado na segunda guerra, tinha como principal finalidade cálculos balísticos;
• Possuía 17.468 válvulas termiônicas, de 160 kW de potência (1J=W/s);

 O "sistema operacional" da máquina era através de cartões perfurados.
A calculadora efetua os cálculos a partir das teclas pressionadas, fazendo interação direta com o hardware, como no ENIAC, no qual era preciso conectar fios, relês e sequências de chaves para que se determinasse a tarefa a ser executada. A cada tarefa diferente o processo deveria ser refeito. A resposta era dada por uma sequência de lâmpadas.

Primeiro computador digital eletrônico – ENIAC

Em 1946, era anunciado o nome do primeiro computador digital eletrônico de grande escala: o ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Criado pelos cientistas norte-americanos John Presper Eckert e John W. Mauchly, da Electronic Control Company. O ENIAC pesava 30 toneladas e ocupava uma área de 270 m² de área construída.
 

O ENIAC, primeiro computador digital eletrônico, começou a ser desenvolvido em 1943 durante a II Guerra Mundial para computar trajetórias táticas que exigissem conhecimento substancial em matemática, mas só se tornou operacional após o final da guerra.

• Sua capacidade de processamento era de 5.000 operações por segundo;
• Criado na segunda guerra, tinha como principal finalidade cálculos balísticos;
• Possuía 17.468 válvulas, de 160 kW de potência;

O primeiro computador digital eletrônico, o ENIAC, não tinha sistema operacional e seu funcionamento era parecido com uma calculadora simples de hoje. O ENIAC, assim como uma calculadora, tinha de ser operado manualmente.

A calculadora efetua os cálculos a partir das teclas pressionadas, fazendo interação direta com o hardware, como no ENIAC, no qual era preciso conectar fios, relês e sequências de chaves para que se determinasse a tarefa a ser executada. A cada tarefa diferente o processo deveria ser refeito. A resposta era dada por uma seqüencia de lâmpadas.

Era tão grande que tinha de ser disposto em U com três painéis sobre rodas, para que os operadores pudessem se mover em torno dele. Foram gastos cerca de $500.000,00(quinhentos mil) em sua construção. Quando em operação, outros complexos cálculos de balística passaram a realizar–se em alucinantes 30 segundos, quando com as calculadoras manuais que até aí se usavam demorava 12 horas se obter o mesmo resultado. O centro de processamento tinha uma estrutura muito similar a dos processadores mais básicos que atualmente utilizamos nas nossas calculadoras de bolso. Tinha 20 registos de dez dígitos cada, onde se podiam efetuar somas, subtrações, multiplicações, divisões e raízes quadradas.

Quando o ENIAC ficou pronto 6 mulheres foram escolhidas para testarem a nova máquina.

Precursores da CPU moderna: anos 40, 50 e 60

Os primeiros computadores, anteriores à década de 50, possuíam um diferencial considerável, se comparados com as máquinas de hoje: eles não eram capazes de armazenar programas. Alguns deles, como o ENIAC, que teve seu desenvolvimento iniciado em 1943, tinham inicialmente o plano de armazenamento de softwares em seu interior. Mas, para agilizar o lançamento da máquina, essa ideia acabou ficando para trás.
Dessa forma, o ENIAC tinha que ser modificado fisicamente cada vez que uma tarefa diferente fosse executada. Cabos deveriam ser reposicionados, chaves ligadas ou desligadas e um novo programa ser carregado. Era dessa forma que o processamento em si era realizado.

Em 1945, a ideia de uma unidade central de processamento capaz de executar diversas tarefas foi publicada por John Von Neumann. Chamado de EDVAC, o projeto desse computador foi finalizado em 1949. Essa é a origem dos primeiros modelos “primitivos” de processadores da forma como os conhecemos. Além disso, o EDVAC e outros computadores, como o Mark I, da Universidade de Harvard, marcam o início da era dos computadores modernos, capazes de armazenar programas.
Durante a década de 50, a organização interna dos computadores começou a ser repensada. Esse foi o momento em que os processadores começaram a ganhar funcionalidades básicas, como registradores de índices, operandos imediatos e detecção de operadores inválidos.

No início da década de 60, a IBM desenvolveu uma nova abordagem: planejou uma família de computadores que poderiam executar o mesmo software, com poder de processamento e preços diferentes. Com isso, os programas não seriam mais dependentes de máquina, mas compatíveis entre todos esses modelos.Para colocar isso em prática, a IBM acabou criando um computador virtual conhecido como System/360, ou simplesmente S/360.  Podemos pensar nesse sistema como um conjunto de instruções e capacidades que todos os computadores da família S/360 teriam em comum.

continua

Fonte:

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