Explorando o Chip Am2901C e sua Arquitetura Bit-Slice

Índice de Conteúdos

1. Introdução
2. O Processador Am2901
   • 2.1. Arquitetura Bit-Slice
   • 2.2. Lógica ECL
3. Explorando o Chip Am2901C
   • 3.1. Os Bloco Funcionais
   • 3.2. Memória de Registradores
   • 3.3. Unidade Aritmética Lógica (ALU)
4. Características e Flexibilidade do Am2901
5. Conclusão
6. Referências

Explorando o Chip Am2901C e sua Arquitetura Bit-Slice

O processador Am2901C, lançado pela AMD em 1975, foi um grande avanço na época. Esse chip era conhecido como um processador bit-slice, ou seja, cada chip processava apenas 4 bits, mas múltiplos chips eram combinados para formar processadores de maior tamanho de palavra, como 16 bits, 36 bits ou 64 bits. Essa abordagem permitia a criação de processadores maiores quando um único chip não era suficiente. Naquela época, outros chips estavam presentes no mesmo circuito integrado, mas os transistores MOS utilizados nesses chips eram mais lentos. Mais tarde, os transistores CMOS surgiram, e quando sua velocidade aumentou o suficiente, quase todos os fabricantes migraram para essa tecnologia. O chip Am2901C se tornou extremamente popular e foi usado em diferentes sistemas, desde o jogo de vídeo Battlezone até o minicomputador VAX-11/730 e o computador de voo F-16 Magic 372. O modelo Am2901C foi considerado a versão mais rápida desse processador, utilizando uma tecnologia de lógica chamada ECL (emitter-coupled logic) para obter alto desempenho.

A Lógica ECL na Arquitetura Bit-Slice

A arquitetura Bit-Slice é composta por um processador que funciona como uma unidade de construção básica, em vez de um processador completo. Essa construção básica exige circuitos separados para decodificar instruções e controlar o sistema. Os chips de processador em formato de slice de bits realizam operações lógicas ou aritméticas nos dados e contêm registradores, enquanto um chip de controle, como o Am2910, indica aos chips de slice de bits o que fazer. Cada instrução de máquina é dividida em etapas menores, chamadas de micro-instruções, que são armazenadas em uma ROM de microcódigo. É importante ressaltar que o conjunto de instruções do computador é definido pelo microcódigo, não pelo Am2901, o que permite o suporte a quase qualquer conjunto de instruções. Os processadores em formato de slice de bits, como o Am2901, estavam em uma posição intermediária entre um processador de microchip e a construção de um computador usando chips TTL simples. Construir um processador usando chips TTL era mais rápido na época, mas exigia placas cheias de chips. O uso de um processador em formato de slice de bits mantinha a vantagem de velocidade, mas reduzia o número de chips necessários. Além disso, oferecia muito mais flexibilidade do que um microprocessador, permitindo que o projetista personalizasse o conjunto de instruções e outras características arquitetônicas.

Visão Geral do Chip e seua Organização

A imagem do chip Am2901C mostra os blocos funcionais-chave do chip. O bloco de memória de registradores, que contém 16 registradores de 4 bits cada, é o maior bloco funcional do chip. Os circuitos controladores de memória, à esquerda e à direita do bloco de memória, realizam a leitura e a escrita na memória. A unidade aritmética lógica (ALU) do chip realiza operações aritméticas (adição ou subtração) ou operações lógicas (AND, OR, XOR). A primeira seção da ALU é um grande bloco no canto inferior esquerdo do chip, com quatro linhas, pois é uma ALU de 4 bits. Além disso, a ALU contém lógica para gerar os sinais de carry para adição, utilizando a técnica de carry lookahead, e processa o sinal de SOMA em paralelo. O circuito de saída processa e armazena o resultado e o envia ao pino de saída. O chip também tem dois deslocadores que podem deslocar uma palavra para a esquerda ou direita, um registrador Q, usado para armazenar o resultado da operação e um circuito de tensão de referência que gera as referências de tensão de precisão necessárias pela lógica ECL.

Para estudar mais detalhadamente o chip, o cientista Ken Shirriff usou um microscópio especial chamado de microscópio metalográfico. As fotografias microscópicas revelam detalhes do chip, desde a lógica ECL usada no chip até os transistores bipolar NPN e resistores dopados para dar diferentes propriedades ao silício. O chip Am2901C usou a lógica ECL para obter velocidade, porém, a desvantagem era o alto consumo de energia. Em muitos sistemas, isso exigia o uso de sistemas de resfriamento especiais. Como a lógica ECL mantinha os transistores parcialmente ligados em vez de plenamente ativados, isso permitia que ocorressem mudanças rápidas nos caminhos de corrente. Por outro lado, a diferença de tensão entre os valores 0 e 1 era pequena, da ordem de 0,8 V, portanto, os sinais podiam alternar rapidamente. Essa diferença de tensão menor resultava em maior sensibilidade do ECL ao ruído elétrico. O Am2901C, apesar de usar a lógica ECL internamente, suportava voltagens TTL externamente, o que facilitava sua utilização em máquinas TTL.

Pros:

• O chip Am2901C foi um avanço significativo para a época, permitindo a criação de processadores de maior tamanho de palavras.
• A arquitetura bit-slice proporcionava maior velocidade em comparação com microprocessadores disponíveis naquela época.
• A lógica ECL interna do Am2901C aumentava significativamente o desempenho.
• A flexibilidade do chip permitia o suporte a diversos conjuntos de instruções, Personalizáveis através do microcódigo.

Cons:

• A lógica ECL consumia mais energia do que outras tecnologias disponíveis, o que exigia sistemas de resfriamento especializados.
• A sensibilidade do ECL ao ruído elétrico era um ponto negativo na utilização desse tipo de lógica.

Conclusão

O chip Am2901C da AMD representou um avanço significativo na área de microprocessadores. Com sua arquitetura bit-slice e lógica ECL, foi amplamente utilizado na década de 1970 e 1980 em sistemas variados. No entanto, à medida que a tecnologia CMOS avançava e os processadores de um único chip se tornavam mais viáveis, a popularidade dos processadores bit-slice diminuiu. Hoje, os processadores são muito mais avançados, com bilhões de transistores e velocidades muito superiores em relação ao Am2901C. Ainda assim, o Am2901C representa um marco na história dos microprocessadores e continua sendo um exemplo interessante da lógica ECL utilizada na época.

Referências

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FAQ

Q: Qual a principal diferença entre a arquitetura bit-slice e a arquitetura de um microprocessador convencional? R: A principal diferença está na abordagem de construção dos processadores. Enquanto um microprocessador é uma unidade completa, a arquitetura bit-slice é formada por processadores que funcionam como blocos de construção básicos e são combinados para formar um processador maior.

Q: O Am2901C ainda é utilizado em sistemas computacionais atuais? R: Não, o Am2901C foi desenvolvido nas décadas de 1970 e 1980 e foi substituído por tecnologias mais avançadas. Os processadores atuais possuem arquiteturas completamente diferentes.

Q: Quais as principais vantagens da lógica ECL? R: A lógica ECL era conhecida por sua alta velocidade de operação, principalmente devido ao fato de os transistores não estarem completamente ligados. Porém, essa lógica tinha alto consumo de energia e era mais sensível ao ruído elétrico.

Q: O Am2901C suportava quais operações aritméticas e lógicas? R: O Am2901C suportava operações aritméticas de adição e subtração, além de operações lógicas como AND, OR e XOR.