Estudando a arquitetura dos processadores

Introdução

O estudo da arquitetura de processadores e sem sombra de duvida um dos assuntos mais interessante no ramo da ciência de computadores, sendo um tema de suma importância de didáticos para os alunos. A descrição dos componentes partes dos dispositivos que compõem um sistema computacional e fundamental para a compreensão da evolução dos hardwares assim como os softwares. Na realidade, sempre existiu a discussão em torno de qual seria a melhor e/ou apropriada, mas o que se sabe e que nunca houve um vencedor. É interessante observar que não sendo possível adotar qualquer uma de arquiteturas, o que temos e o sistema que contem o que a de melhor entre as duas tecnologias. Registros de configuração controlam os multiplexadores para permitir a conexão entre os pinos e os periféricos no chip. Periféricos devem ser conectados a pinos apropriados antes de serem habilitados e antes de qualquer interrupção relacionada seja ativada. Ativação de qualquer função periférica que não é mapeada para um pino relacionado deve ser considerada indefinida. A complexidade na criação dessas arquiteturas de processadores teve um grande avanço quando essas duas formas de se projetar foram criadas.

Arquitetura de processador

Arquitetura ARM (primeiramente Acorn RISC Machine, posteriormente Advanced RISC Machine) é uma arquitetura de processador de 32 bits usada principalmente em sistemas embarcados. São processadores que visam a simplificação das instruções, com o intuito de atingir a máxima eficiência por ciclo, podendo realizar tarefas menores com ciclos mais curtos, e uma maior ordenação das operações dentro do núcleo de processamento. Muito usada na indústria e na informática, seu desenvolvimento se deu visando obter o melhor desempenho possível, com a limitação de ser simples, ocupar pouca área e ter baixo consumo de energia. Os processadores ARM são conhecidos pela sua versatilidade, pois possuem poucas instruções para programação. São encontrados em PDAs, telefones celulares, calculadoras, periféricos de computador, equipamentos POS e aplicações industriais. O padrão RISC do processador permite que estes processadores tenham menos transístores que processadores CISC (x86). Essa abordagem reduz custos, liberação de calor e consumo de energia. Essas são características desejáveis para dispositivos portáteis, como smartphones, laptops, tablets e outros dispositivos embarcados. Uma estrutura mais simples facilita a criação de multi-core CPUs, o que impacta na redução de custos de produção. Os processadores ARM são 90% dos processadores embarcados RISC de 32 bits. O processador ARM possui sete modos de operação que podem ser intercambiados através do software, interrupções externas e processamento de execuções. Normalmente as aplicações são executadas no nível de usuário. Enquanto o processador esta no modo usuário o programa sendo executado é incapaz de acessar alguns recursos protegidos do sistema ou mudar de modo. Os outros modos além do modo usuário são denominados modos privilegiados. Eles têm acesso completo aos recursos do sistema e podem mudar de modo livremente. Registradores: Os registradores podem ser utilizados para manipular dados de um byte, de meia palavra (16 bits) ou de uma palavra completa (32 bits). Quando instruções de um byte são utilizadas somente o byte menos significativo é utilizado. Quando instruções de meia palavra são utilizadas somente a palavra menos significativa é utilizada. Ao fazer referencia a algum destes registros de propósito específico deve-se sempre levar em consideração qual o modo de operação corrente. Outro registrador importante é o CPSR (Current Processor Status Register), que carrega informações sobre o estado corrente do processador, inclusive o modo de execução atual.

Histórico

Resultado do projeto inovador de um bem sucedido fabricante britânico de computadores chamado Acorn Computer Group. Inicialmente desenvolvido pela Acorn Computers Limited de Cambridge, Inglaterra, entre outubro de 1983 e abril de 1985, foi o primeiro processador RISC desenvolvido para uso comercial. Projeto baseado no processadorBerkeley RISC I. O Núcleo ARM se manteve basicamente com o mesmo tamanho durante sua evolução. ARM2 tinha 30,000 transistores, enquanto o ARM6 evoluiu para apenas 35,000. Em 2009 alguns fabricantes de netbooks utilizaram processadores Arm em seus produtos para concorrer com o Atom da Intel. Em 1985 surgiram os primeiros exemplares do microprocessador ARM1 (Acorn RISC Machine 1) e, no ano seguinte, a versão comercial ARM2. Esses microprocessadores possuíam um barramento de dados de 32 bits e outro de endereços de 26 bits (que permitiam endereçar até 64MiB de memória. Incluíam também um conjunto de 16 registradores de 32 bits, sendo um deles destinado ao contador de programa e bits de estado do processador. As versões iniciais dos microprocessadores ARM (ARM2 e ARM3) foram utilizadas nos primeiros computadores RISC pessoais (Archimedes 300, 400 e 500) fabricados pela Acorn. Em 1990, a Acorn Computer Group, a Apple Computer e a VLSI Technology uniram-se para formar a ARM Limited (Advanced RISC Machines), e em 1991 foi lançada a primeira versão comercial, o ARM6, juntamente com o primeiro microprocessador da ARM, o ARM610. Os principais conceitos por trás da arquitetura ARM são a simplicidade, baixo custo e baixo consumo. Atualmente, a ARM Limited não fabrica chips, apenas desenvolve o projeto e licencia o uso de suas CPUs (a sua propriedade intelectual) para que outros fabricantes (como Cirrus Logic, STMicroelectronics, NXP, Texas Instruments, Atmel, Samsung, Sharp, Qualcomm, Nvidia, etc) possam produzir ou alterar as CPUs.

• Outubro/1983, a Acorn Computers LTDA desenvolve o primeiro processador ARM.

• 26 de abril de 1985 protótipos do ARM são fabricados pela VLSI Technilogy e são utilizados pela primeira vez em BBC Micros: primeiro processador RISC a ser comercializado.

• 80's, os ARMs são utilizados nos desktops da Acorn (BBC MAster e Acorn Archimedes).

• 80's, é criada uma versão estática, o ARM2aS.

• Fim 80's, visando uma versão totalmente estática, a Apple junta-se a Acorn para desenvolver novas versões do ARM.

• Novembro/1990, a AdvancedRM LTDA é fundada resultante de uma junção da Acorn com a Apple Computer e a VLSI Technology.

• 1991, são lançados os primeiros do ARM6.

• 1995,