Guia Completo de Processadores: Arquitetura e Evolução

Primeiros Processadores

• Intel lançou o Itanium, destinado a servidores.
  • Para os desktops, existia software incapaz de se beneficiar da nova plataforma.
• A AMD lançou uma nova plataforma: a X86-64.
  • Esta plataforma adicionou suporte a instruções de 64 bits no Athlon.
  • Controlador de Memória Integrado (IMC): fazia parte do chipset e operava na mesma frequência que ele. Comunicava-se através do FSB. Este dispositivo foi movido para dentro do processador.

Processadores de 64 Bits

• Todos os processadores até o Athlon são chamados de "processadores x86" (32 bits).
  • Esta plataforma apresenta algumas limitações, como o número limitado de registradores e o suporte nativo a apenas 4 GB de memória RAM.
• O primeiro processador de 64 bits foi o Athlon 64.
• Mitos sobre 64 bits:
  • Não são duas vezes mais rápidos que os de 32 bits.
  • Não processam necessariamente o dobro de informações em relação aos 32 bits.
  • Desempenho melhor em softwares de encriptação e alguns aplicativos científicos.
  • Não existe ganho no processamento de pontos flutuantes.
• Outros modelos da AMD de 64 bits:
  • Athlon 64 X2: núcleo com duas pastilhas dentro do mesmo encapsulamento.
  • Phenom: processador de quatro núcleos em uma única pastilha.

Componentes do Processador

Registradores

• Pequenos espaços de memória utilizados pelo processador para armazenar informações que serão usadas para processar a instrução seguinte.
• São limitados em tamanho.
• A arquitetura x86 prevê o uso de apenas 8 registradores de 32 bits (4 bytes).

Clock Interno e Externo

• Todo processador tem duas velocidades:
  • Clock Interno: Velocidade de execução de programas.
  • Clock Externo: Velocidade de acesso à memória e outras partes do computador.
• Exemplo:
  • Pentium 4 de 2,8 GHz
  • Clock Interno: 2,8 GHz
  • Clock Externo: 800 MHz

Barramento do Sistema (FSB)

• É o mesmo que System Bus ou Front Side Bus (FSB).
• O FSB da placa-mãe deve ser igual ou superior ao FSB do processador.
• Existem processadores com FSBs de diversas velocidades.

Exemplos de Compatibilidade de FSB:

• Placas para Pentium 4 com FSB de 400 MHz:
  • Aceitam Pentium 4 com FSB de 400 MHz.
• Placas para Pentium 4 com FSB de 533 MHz:
  • Aceitam Pentium 4 com FSB de 533 ou 400 MHz.
• Placas para Pentium 4 com FSB de 800 MHz:
  • Aceitam Pentium 4 com FSB de 800, 533 ou 400 MHz.

• Placas para Athlon XP com FSB de 266 MHz:
  • Aceitam Athlon XP com FSB de 266 MHz.
• Placas para Athlon XP com FSB de 333 MHz:
  • Aceitam Athlon XP com FSB de 333 ou 266 MHz.
• Placas para Athlon XP com FSB de 400 MHz:
  • Aceitam Athlon XP com FSB de 400, 333 ou 266 MHz.

Velocidades de FSB Comuns:

• Sempron: 333 MHz, 400 MHz.
• Celeron: 400 MHz, 533 MHz.
• Athlon 64: 400 MHz.
• Pentium III: 100 MHz, 133 MHz.

Identificando o FSB:

• Identificando o FSB do Pentium 4: Na caixa ou no chip (Observe a marcação "/800" estampada no chip, indicando o FSB de 800 MHz).
• Identificando o FSB do Athlon XP / Sempron / Duron: No chip (Por letras, ex: AXDA3200KV4E).
  • B = 200 MHz
  • C = 266 MHz
  • D = 333 MHz
  • E = 400 MHz

Substituição do FSB:

• Os processadores modernos utilizam um link HyperTransport para sincronizar a operação dos componentes, passando a utilizar um clock de referência de 200 MHz. Apesar disso, o termo FSB continua bastante utilizado.

Gerenciamento de Energia

• Todos os processadores da linha Athlon 64 suportam "Cool'n'Quiet", um ajuste dinâmico da frequência de operação do processador de acordo com o uso.
• Intel: SpeedStep.
• Aumentam a vida útil do equipamento.

Soquetes e Encaixes

• Até o 386, os processadores eram soldados ou encaixados em soquetes de pressão. Essa realidade mudou a partir do 486, com o surgimento dos soquetes ZIF (Zero Insertion Force).
• Soquete 3: utilizado nos 486.
• Soquete 4 e 5: utilizados nas placas para processadores Pentium 1.
• Soquete 7: Pentium, MMX, K5, K6.
• Soquete 8: Pentium Pro.
• Slot 1: Pentium II.
• Slot A: AMD, primeiras versões do Athlon.
• Soquete 370: miniatura do Slot 1, destinado a processadores com cache L2 integrado.
• Soquete A: todas as versões do Athlon e do Duron até o Athlon 64 (AMD).
• Soquete 423: Pentium 4.
• Soquete 478: Pentium 4 Northwood e Celeron D.
• Soquete 754: Athlon 64 e Sempron.
• Soquete 939: Athlon 64 FX.
• Soquete AM2: Athlon 64 com núcleo Orleans.
• Soquete AM2+ e AM3: suporte ao HyperTransport da AMD e à memória DDR3.
• Soquete LGA 775: Processadores Intel para padrão LGA, onde os pinos foram substituídos do processador para o soquete.
• Soquete LGA 1366: uso de controladores de memória integrados. Utilizado no Core i7.
• Soquete LGA 1156: versão desktop do LGA 1366, com controlador PCI Express e a ponte norte do chipset movida para dentro do processador.

Processadores AMD

Arquitetura AMD K10

• Quatro núcleos, cada um com seu próprio cache L1 de 128 KB e 512 KB para cache L2.
• Controlador de memória.
• Cache L3 compartilhado.
• Quatro links HyperTransport (um para o chipset e outros três para processadores).
• Melhorias no branch prediction.

Série AMD Phenom

• Processador de baixo/médio custo para concorrer com a Intel.
• Phenom X3: Quad-core nativo, com defeito de fabricação em um dos núcleos.
• Observação: processadores Quad-core são bons para vídeo e aplicativos científicos. Para produtividade e jogos, muitas vezes são desnecessários.

Problemas Conhecidos:

• TLB Bug: O TLB tem a função de cachear endereços de dados disponíveis nos caches de memória.
• O bug surge quando os dados do cache são modificados enquanto o TLB está modificando a entrada para refletir uma alteração anterior.
• Problemas com o Windows Vista: o gerenciamento dos núcleos esbarrava no gerenciamento que o Windows Vista fazia, balanceando o trabalho entre os núcleos.

Modelos AMD Phenom II

• Phenom II X4 9xx: quatro núcleos e 6 MB de cache L3.
• Phenom II X4 8xx: versão de baixo custo com quatro núcleos e apenas 4 MB de cache L3, obtida a partir de chips com defeitos na área de cache.
• Phenom II X3 7xx: versão com três núcleos e 6 MB de cache L3, obtida a partir de chips com defeito em um dos núcleos.
• Phenom II X2 5xx: versão com apenas dois núcleos com 6 MB de cache L3.

Processadores Intel

Plataforma Intel Core

• Utilização de 0.13 mícron na fabricação.
• 64 KB de cache L1 e 1 MB de cache L2.
• SpeedStep: gerenciamento dinâmico do clock, tensão e componentes que não estão em uso, diminuindo o consumo do processador.
• Cache compartilhado.

Arquitetura Intel Core

• Criada com o conceito de múltiplos núcleos.
• O Pentium D: versão de dois núcleos do Pentium 4.
• Cada núcleo possui seu próprio cache L2.
• Arquitetura Core: cache L2 compartilhado, pré-busca compartilhada entre os núcleos.

Fusão de Instruções:

• Exemplo:
  • Load eax, [mem1]
  • Cmp eax [mem2]
  • Jne target
• Nova instrução:
  • Load eax, [mem1]
  • Cmp eax [mem2] + jne target

• Unidade de ponto flutuante e uma ALU extras em comparação ao Pentium M.
• Pode processar três instruções inteiras por pulso de clock.

Intel Core 2 Duo

• Lançado em junho de 2006.
• Utilização do recurso Macro-fusion: diversos pares de instruções em comum são combinados em uma única instrução.
• Três decodificadores de instruções simples e um de instrução complexa.
• Em metade dos ciclos, são decodificadas cinco instruções.
• Pipeline de 14 estágios.
• Utilização do Advanced Smart Cache: cache unificado onde os dois núcleos compartilham o mesmo bloco de cache L2.

Intel Core i7, i5 e i3

• Core i7:
  • Um controlador de memória integrado.
  • Migração do FSB para um barramento serial ponto a ponto, duas melhorias que foram introduzidas anos antes pela AMD, às quais a Intel vinha resistindo até então.

Arquitetura Intel Nehalem

• Diferente do Yorkfield, usado nos processadores Core 2 Quad da série Q9000 (obtido através da combinação de dois processadores dual-core, ligados através do FSB), o Nehalem é um processador quad-core nativo, onde os quatro núcleos compartilham a mesma pastilha de silício.
• Para acomodar os quatro núcleos, a Intel fez várias mudanças na arquitetura dos caches. Em vez de um grande cache L2 compartilhado, optaram por utilizar uma arquitetura similar à utilizada pela AMD no Phenom, com um pequeno cache L2 (de 256 KB) para cada núcleo e generosos 8 MB de cache L3 compartilhados entre todos. Dentro da arquitetura, o cache L3 assume a posição que no Core 2 Duo era executada pelo cache L2, servindo como um reservatório comum de dados.
• O Core 2 Duo supera a maioria dos processadores AMD atuais, clock por clock.
• Os processadores são capazes de processar quatro instruções por ciclo contra três dos processadores AMD. Naturalmente, existem muitos outros fatores a se considerar (a eficiência dos circuitos de branch prediction, o tamanho e velocidade dos caches e assim por diante), mas as quatro instruções por ciclo oferecem uma vantagem considerável.
• Além das mudanças nos caches e a adição do controlador de memória, outra mudança é a substituição do antigo FSB por um barramento aprimorado, batizado de QuickPath Interconnect (QPI).

Intel Pentium M

• Processador para notebooks.
• Versão aprimorada do Pentium III.
• Também chamado de Centrino.
• Baseado na arquitetura P6.
• Pipeline: não divulgado pela Intel.
• Utilização de arquitetura híbrida RISC-CISC.
• Utiliza microinstruções híbridas (duas instruções dentro de uma só).
• Tecnologia Enhanced SpeedStep: chaveia entre duas frequências de operação (baixa frequência e alta frequência).

Arquitetura Intel Sandy Bridge

• Nova arquitetura Intel.
• A ponte norte (controlador de memória, vídeo e PCI Express) está integrada no mesmo chip do processador.
• No Nehalem, a ponte norte está localizada no mesmo encapsulamento, mas em pastilha separada.
• Novo cache de microinstruções decodificadas (Cache L0).
• Cache L1 e L2 por núcleo.
• Cache L2 é chamado de intermediário.
• Cache L3 compartilhado.
• Controlador de vídeo aprimorado.
• Controlador de Memória DDR3 de dois canais, suportando memória até DDR3-1333.
• Novo soquete com 1155 pinos.
• Adição de um cache L0 capaz de armazenar 1.536 microinstruções para atender instruções de loop.