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Como a programação age nos processadores e afins.


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Então galera, eu faço Ciência da computação que é mais na parte de programação, e eu só aprendo os conceitos e teorias das coisas, do tipo, laços, funções e essas coisas, mas eu queria muito me aprofundar, tenho um básico conhecimento em eletricidade e algumas coisas que aprendi sobre eletrônicas, mas é bem pouco mesmo! Eu quero muito me aprofundar no funcionamento do computador em baixo nível, do tipo de como cada comando age eletronicamente sobre os componentes, ou pelo menos apenas sobre as CPU's eu acho que mesmo não tendo muito haver com meu curso, creio que me ajudará muito a crescer e a criar alguns projetos, saber mais sobre o que tu ta fazendo nunca é demais. Então faço a pergunta pros mais experientes aqui:

 

"Como age a programação na CPU, por exemplo: Quando eu executo um laço, qual a "atitude" da CPU em cima dessa execução?".
 

Se puderem me recomendar materiais agradeço muito, e se for pdf então, faço um sacrifício pra Odin em teu nome! HAHAHA.

No aguardo.

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Existe um livro chamado "Digital Computer Electronics" de Albert Paul Malvino que aborda esse assunto. É um livro antigo, lançado no final da década de 70 e trata de microprocessadores daquela época. Talvez você o localize em alguma bilbioteca. Não tem edição em português. Quando chegar em casa à noite dou mais detalhes,,,

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Eu tenho alguns documentos de assembly, se interessar eu posso postar, ou encaminhar por e-mail.

Opa quero sim cara :3 se possível enviar pro meu e-mail: [email protected] ficarei grato

 

1- Aprenda eletronica digital

2- entre em microprocessadores e finalmente... de pois de uns 10 anos...

3- microcontroladores...

Tenho um longo caminho pela frente, hehehe valeu pelas dicas.

.

 

Vou ver sim, obrigado.

 

Existe um livro chamado "Digital Computer Electronics" de Albert Paul Malvino que aborda esse assunto. É um livro antigo, lançado no final da década de 70 e trata de microprocessadores daquela época. Talvez você o localize em alguma bilbioteca. Não tem edição em português. Quando chegar em casa à noite dou mais detalhes,,,

Opa, vou ver se encontro na biblioteca da escola, valeu XD.

 

 

Obrigado atodos que responderam.

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@primataprogramme,

Vou tentar passar alguma ideia.....

Sua pergunta sobre o que acontece na parte eletrônica quando você efetua um "laço" :

- primeiro, a eletrônica nem faz ideia do que é um laço !

Um microprocessador sabe fazer apenas alguns comandos, e esses comandos são as chamadas instruções em Assembly.

Existem processadores com centenas de instruções, e alguns com apenas 30 ou 40 instruções.

Essas instruções são sempre bem simples, por exemplo somar um numero a um registrador, ou somar dois registradores, e por aí vai.

Entre a sua linguagem de programação e o microprocessador existe um "intérprete" : o compilador. Ele é o responsável em transformar o seu "laço" em uma série de instruções elementares, as quais o microprocessador sabe executar.

Uma vez compilado, o seu programa vira uma série de instruções que serão executadas em sequência ( modelo Harvard ), e agora podemos falar de eletrônica....

Dentro de um microprocessador existem milhões de blocos lógicos, formando registradores, unidade aritmética, circuitos de I/O, co-processador matemático, cache, pipeline, etc, etc, ou seja, tem muita coisa que voce ainda vai aprender....

Agora, se voce pretende usar um microcontrolador, a coisa muda um pouco, pois o foco é muito mais em recursos de hardware internos do que em velocidade de processamento. Assim, elimina-se o cache, os pipelines, co-processadores, e entram recursos muito interessantes, como Timers, PWMs, conversores A/D, comparadores analógicos, várias interrupções, economizadores de energia, e outras coisas mais....

Espero ter te dado uma pequena visão sobre um assunto muito amplo, e quem sabe ajudar a acender uma centelha em sua curiosidade para que aprenda a fundo isso tudo !

Paulo

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@primataprogramme,

Vou tentar passar alguma ideia.....

Sua pergunta sobre o que acontece na parte eletrônica quando você efetua um "laço" :

- primeiro, a eletrônica nem faz ideia do que é um laço !

Um microprocessador sabe fazer apenas alguns comandos, e esses comandos são as chamadas instruções em Assembly.

Existem processadores com centenas de instruções, e alguns com apenas 30 ou 40 instruções.

Essas instruções são sempre bem simples, por exemplo somar um numero a um registrador, ou somar dois registradores, e por aí vai.

Entre a sua linguagem de programação e o microprocessador existe um "intérprete" : o compilador. Ele é o responsável em transformar o seu "laço" em uma série de instruções elementares, as quais o microprocessador sabe executar.

Uma vez compilado, o seu programa vira uma série de instruções que serão executadas em sequência ( modelo Harvard ), e agora podemos falar de eletrônica....

Dentro de um microprocessador existem milhões de blocos lógicos, formando registradores, unidade aritmética, circuitos de I/O, co-processador matemático, cache, pipeline, etc, etc, ou seja, tem muita coisa que voce ainda vai aprender....

Agora, se voce pretende usar um microcontrolador, a coisa muda um pouco, pois o foco é muito mais em recursos de hardware internos do que em velocidade de processamento. Assim, elimina-se o cache, os pipelines, co-processadores, e entram recursos muito interessantes, como Timers, PWMs, conversores A/D, comparadores analógicos, várias interrupções, economizadores de energia, e outras coisas mais....

Espero ter te dado uma pequena visão sobre um assunto muito amplo, e quem sabe ajudar a acender uma centelha em sua curiosidade para que aprenda a fundo isso tudo !

Paulo

Valeu mano! Consegui compreender melhor as coisas com sua explicação, mas ainda estou meio a cegas ahsuahsu, bom o jeito é ler muito material e muito obrigado.

 

Dê uma olhada aqui também: http://members.iinet.net.au/~daveb/simplex/ringhome.html Tem algumas CPUs implementadas com integrados TTL.

Opa, vou dar uma olhada sim! Obrigado XD

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Lembra do algoritmos de multiplicação ? Aquilo que fazemos quando multiplicamos, por exemplo, 341 x 245 .

Sabemos apenas como multiplicar um numero de um dígito por outro numero de um dígito, certo ? então temos de resolver esse problema, decompondo em várias multiplicações de um só digito por outro dígito, e vamos colocando os resultados sempre deslocando uma casa para a esquerda ( multiplicar por 10, certo ? ), e somando todas as colunas e fazendo o transporte de uma coluna para outra.

Isso é exatamente o que o compilador faz ! Ele transforma a multiplicação de numeros de vários dígitos em várias multiplicações de um só digito por outro !

Isso porque desde pequenos aprendemos a decorar a tabuada de multiplicação, ou seja, sabemos como fazer essa multiplicação !

Repare que decompomos o problema grande em vários pequenos problemas que sabemos como resolver sequencialmente !

Desde pequenos, a escola nos implementa um tipo de "firmware", ou as instruções básicas, e aprendemos a resolver tudo com elas !

Isso é a mesma coisa de um microprocessador, o firmware programado nele são as instruções que ele sabe fazer !

Só como comentário, teve uma época em que a Intel fêz alguns microprocessadores que tinham alguns bugs nas operações, mas o BIOS atualizava esse firmware interno ( a intel chamava de microcode ) , e assim não se percebia nada !

O assunto é longo e tem muita coisa legal ao longo da história desde o lançamento do Intel 8080, que foi o primeiro microprocessador potente a um custo acessível para aplicações comerciais. E isto em 1974...

De lá para cá houveram muitas invenções que aumentaram muito a eficiência, por exemplo indo dos 8 bits para 16 bits, depois inventaram a memória cache, depois passou para 32 bits, aí veio o conceito de Pipeline, vieram os processadores de vários núcleos de processamento, inventaram os caches secundários, depois os 64 bits, e vai indo, só Deus sabe n de vamos parar....

Querer entender tudo isso que eu te passei vale apenas como curiosidade. Não precisa saber como um ovo é feito para se fazer um omelete, certo ?

Estude um pouco de eletronica básica, depois passe para os microcontroladores e seus módulos de hardware integrados. Isso sim vai te permitir grandes projetos.

Paulo

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Lembra do algoritmos de multiplicação ? Aquilo que fazemos quando multiplicamos, por exemplo, 341 x 245 .

Sabemos apenas como multiplicar um numero de um dígito por outro numero de um dígito, certo ? então temos de resolver esse problema, decompondo em várias multiplicações de um só digito por outro dígito, e vamos colocando os resultados sempre deslocando uma casa para a esquerda ( multiplicar por 10, certo ? ), e somando todas as colunas e fazendo o transporte de uma coluna para outra.

Isso é exatamente o que o compilador faz ! Ele transforma a multiplicação de numeros de vários dígitos em várias multiplicações de um só digito por outro !

Isso porque desde pequenos aprendemos a decorar a tabuada de multiplicação, ou seja, sabemos como fazer essa multiplicação !

Repare que decompomos o problema grande em vários pequenos problemas que sabemos como resolver sequencialmente !

Desde pequenos, a escola nos implementa um tipo de "firmware", ou as instruções básicas, e aprendemos a resolver tudo com elas !

Isso é a mesma coisa de um microprocessador, o firmware programado nele são as instruções que ele sabe fazer !

Só como comentário, teve uma época em que a Intel fêz alguns microprocessadores que tinham alguns bugs nas operações, mas o BIOS atualizava esse firmware interno ( a intel chamava de microcode ) , e assim não se percebia nada !

O assunto é longo e tem muita coisa legal ao longo da história desde o lançamento do Intel 8080, que foi o primeiro microprocessador potente a um custo acessível para aplicações comerciais. E isto em 1974...

De lá para cá houveram muitas invenções que aumentaram muito a eficiência, por exemplo indo dos 8 bits para 16 bits, depois inventaram a memória cache, depois passou para 32 bits, aí veio o conceito de Pipeline, vieram os processadores de vários núcleos de processamento, inventaram os caches secundários, depois os 64 bits, e vai indo, só Deus sabe n de vamos parar....

Querer entender tudo isso que eu te passei vale apenas como curiosidade. Não precisa saber como um ovo é feito para se fazer um omelete, certo ?

Estude um pouco de eletronica básica, depois passe para os microcontroladores e seus módulos de hardware integrados. Isso sim vai te permitir grandes projetos.

Paulo

Obrigado novamente pela explicação Paulo XD...Já consigo imaginar como funcione, andei lendo alguns materiais nesse pouco período de tempo, mas já consigo ter uma pequena interpretação de como ocorram essas coisas pelo processador, e suas explicações foram boas e muito úteis, obrigado. Se eu tiver mais dúvidas venho encher o saco aqui de novo ashuashuashua.

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Eu tinha projetado uma CPU de uns 16 instrucoes (que eu lembre), de 8bits....

A projetei e ate simulei num software muito bom em simular circuitos logicos... Se nao me engano e o Multisim...

Funcionou mas sem nenhuma aplicaçao pratica, e so pra se divertir mesmo kkkkkk foram semanas de rabisqueiras pra nada! :D kkkkk

No caso do computador, ele é mais especifico, usa uma arquitetura de instrucoes complexas e bem mais funcoes... Tipo 300 instrucoes (intel)... É por ai mesmo esse numero...

Por exemplo, você programa em C, java, basic, ou qualquer outra linguam, você esta programando nao para o pc executar, e sim o sistema, windoes ou algum outro console...

Vamos a um exemplo, no seu programa, você quer executar alguma funcao, tipo gerar uma janela (windows), o sistema operacional vai ler o seu codigo e ja vai saber o que fazer, ele em sua programacao ja tem as rotinas em linguagem de maquina para ser execultada, rotinas de baixo nivel... E tipo um livro de 1bilhao de paginas kkkk pra fazer uma janela na tela é tanta coisa a ser processada.... Inclusive o processamento de video pra você ver... Etc...

Ah e quem roda o windows (sistema operacional) é um outro console base! Esse faz a ponte entre a linguagem mais humana com a linguagem de maquina, nele tem todos os codigos e instrucoes, rotinas de todas as funcoes que o windows (sistema operacional) execulta!

E impossivel ter programado o windows ou outro sistema operacional em assembly kkkk então e feito um console que rodara o sistema operacional que e feito em linguagem de alto Nivel ou a sua programacao!

Se der eu posto o diagrama da CPU que eu fiz... Enquanto você esta fazendo é apaixonante simulando e vendo cada uma das instrucoes sendo execultadas! :D hehhehe

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@mroberto98,

Bom.... Mais ou menos isso kkkkk

Até a versão Windows 3.1, o Kernel ( faz tempo ein... este é o equivalente do seu "console base" kkk ) era em Assembly, e era muito eficiente.

Aliás, um mísero 486 dx-4 120 Mhz rodando DrDos 6.0 e Windows 3.1 é até hoje o ambiente mais rápido que já ví .... Além de caber inteiro em apenas 14 disquetes de 1.44 Mb ( piada comparando com hoje, mais de 10 GB.... ).

Até o Windows XP, o kernel era em C++ orientado a objeto, ou seja, em nome da compatibilidade de aplicativos e facilidade de desenvolvimento, começamos a fazer programas altamente ineficientes ( em funcão do tamanho e velocidade ) , e glutões em memória e processamento.

Hoje em dia, voce fazer em alguma linguagem de alto nível um mísero programa que grava dados em um dispositivo USB acaba sendo tão complexo que torna impossível uma tradução simples para a linguagem Assembly, pois a linguagem acaba usando o Kernel para fazer o processo todo, e isto acaba sendo uma carroça sem rodas e puxada por um jumentinho .....

Ver que hoje temos processadores com desempenho centenas de vezes maior que um mísero 486, e memórias milhares de vezes maiores, e ainda assim tudo fica mais lento , contrange aqueles que como eu já tiveram experiências num passado distante... E fazem nos perguntar se estamos no caminho correto, ou estamos no caminho mais fácil.

E por outro lado, imaginar um programa comum, como o Office, ser totalmente feito em Assembly significa que demoraria muito mais tempo para ser feito, e custaria muito mais do que hoje, pois programadores Assembly são raridade, e programadores em C existem muitos e acaba custando muito menos, além de poder ser feito em vários colaboradores com imensa facilidade.

Paulo

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@aphawk

Ta virando bola de neve kkkkk

estão fazendo coisa em cima de coisa kkkk é notorio quando uma companhia faz uma coisa de qualidade (ela mesma), como por exemplo um Apple iPhone, como é que pode o negocio ser superior com apenas uma cpu dual core de 1.2 (1.3 ou 1.4GHz, nem lembro) 1Gb de ram... Ser muito mais superior que os outros populares android com cpu quadcore de 2.4GHz... Mais de 2gb de ram etc...

O primeiro, consegue ter desempenho muito melhor que os quad core rodando android hehehehe

É a qualidade da programacao, a qualidade das instrucoes...

No caso de PC eu nao entendo muito bem, eu n conheco como o windows funciona exatamente, so sei o que o hardware faz e como faz....

Mas enfim, quem é que roda o windows? Ou o kernell ja que esse é feito com linguagem de alto nivel?

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@mroberto98,

O Kernel assume o comando assim que o seu computador com Windows é iniciado e passa pela Bios. A Bios então passa o controle para um Loader , que carrega o básico , e depois esse básico carrega o Windows propriamente dito. Não sei se o Kernel já tem o controle nesse instante ou se ele só pega o controle depois do Windows estar totalmente carregado.

Nem sei como fazem o Kernel hoje, nem a linguagem dele qual é, só sei de uma coisa : esse tal de Windows 8 nunca vai rodar em meus computadores.... Tentei duas vezes e só notei piora em relação ao windows 7.

Aliás, estou pensando sériamente em comprar um Imac para substituir meu computador de casa. E rodar o Windows 7 e Windows XP dentro do OS/x, no Parallels Desktop, apenas para quando sou obrigado a usar, como no Proteus e no Bascom.

Depois que voce usa um notebook Mac, é um caminho sem volta...

Paulo

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Uma curiosidade... Quanto mais complexa for o set de instrucao da cpu, melhor e seu desempenho, e mais simples fica a conversao da linguagem de alto nivel para a linguadem de maquina... Um exemplo, a intel x amd, parece que a intel aposta mais em fazer uma arquitetura com instrucoes mais bem elaboradas etc, porque como pode um I7 quad core de uns 3.6ghz ganhar de um FX Octa core 5ghz? Kkkkkkk

Um exemplo e uma linha de programacao assim:

"If A = B then

A = 0x76"

Pra fazer isso em uma cpu de instrucoes simples é super complicado.. Pra inicio de conversa nao existe comando If, while, entre outros na linguagem de maquina, pelo menos em cpus menos complexa...

executar essa linha num processador seria assim:

Copia B para um registrador,

Compara A com B e se forem igual sinaliza 1 bit num registrador, se n nao faz nada,

E por fim, uma instrucao que testa esse bit sinalizador, e se for 1 e porque A é igual a B, então ele pula para um endereco especifico do programa... Se nao, continua rodando o codigo.

Se ele pular, ele vai para a parte que vai atribuir 0x76 para A....

Para atribuir é so colocar o valor em um registrador, e depois copiar para o registrador da variavel A, que pode ser um endereco da memoria ram...

Isso é de forma bem detalhada que acontece no hardware bem simples, tipo nivel de pic kkkkk

Processadores de instrucoes mais complexas fariam de forma parecida assim:

Ja compara A com B e ja pula para tal parte do cod se a comparacao for positiva! Isso td em uma instrucao só hehehe

E por fim, atribui 0x76 em A e salva em seu especifico endereco!

Essa e a diferenca de um hardware de 8 bits por exemplo, com o de 32 ou 64 bits...

Quando tiver cpu de 128 bits, vai brotar instrucoes muito mais complexas!

@aphawk,

Dizem que o windows 8 nao é mais windows NT...

Bom, eu n entendo do windows! Kkkkkkk

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@mroberto98,

 

É mais complicado do que isso....  por incrível que pareça, até hoje mesmo esses novos super processadores da Intel precisam manter compatibilidade com o antigo 8088 em termos de instruções !!!!  Repare que é uma âncora segurando tudo desde 1980 ..... 35 anos usando set de instruções enormes, herança dos 8080, Z-80 e 8088 ......

 

As cpu's mais rápidas não possuem um grande set de instruções, pelo contrário, são bem reduzidas. Porque reduz a complexidade interna do hardware, gera bem menos aquecimento, e com isso podemos elevear badstante os clocks. Isso de instruções reduzidas chama-se arquitetura RISC, em contrapartida da arquitetura CISC, que usa um set muito mais complexo de instruções.

 

Não é só o clock que define o desempenho, nem o número de cores !!!!  Por incrível que pareça, existem os caches primários e secundários, e a variação nos tamanhos deles influi muito a performance do sistema como um todo. Porisso que quando se fala em computadores para usuários normais ( leia-se baratos ) o assunto é bem complexo.

 

O número de cores é uma alternativa que a Intel encontrou quando chegou no limite da tecnologia de velocidade de processamento, quando lançou o Pentium de 3.4 Ghz . Acima dessa velocidade de clock, tornou-se inviável controlar o aquecimento do chip, e o limite da tecnologia de litografia dos chips também fazia perder-se muitos mais chips em um lote do que deveria, devido a erros internos na estrutura que estavam acontecendo devido a estar muito próximo do limite. E isso implicava em custos bem maiores, que o mercado não iria aceitar.

 

Mas essa tecnologia de cores também tem os seus limites práticos, por exigir que um programa ternha de ser escrito e compilado para poder aproveitar ao máximo o paralelismo que os cores propiciam, e isso não é fácil. Além de o compilador ficar louco para tentar colocar laços repetitivos dentro dos caches ( lembre-se que cada tipo de CPU tem quantidade de caches secundários diferentes e também tamanho diferentes, sem falar no cache principal ! ), e isso tudo exige linguagens de programação bem avançadas e um excelente conhecimento de como otimizar, que o programador deve ter. Como por exemplo alocar instruções complexas e demoradas em um dos cores , ao mesmo tempo que tenta otimizar um outro core para poder pegar o resultado do processamento do primeiro core, sem preder nenhum tempo esperando !

 

Um exemplo - Eu tenho um Pentium de 3.4 Ghz em casa, num computador que só uso para fazer a simulação do ISIS..... roda bem mais rápido do que em todos os outros computadores de múltiplos cores que eu tentei, inclusive no meu Mac que tem um Core I7 dentro e é um avião no dia a dia.

 

Porque que acontece isso ? simples : até o momento, o ISIS/PROTEUS não foi totalmente reescrito para se utilizar das vantagens dos vários cores, e o programa roda quase que totalmente usando um único Core. 

 

Já usar 32, 64 ou 128 bits..... Quem já instalou o Windows 7 em 32 bits num processador que suporta 64 bits, e depois removeu e instalou o Windows 7 64 bits percebeu que a diferença de performançe é mínima, na verdade nem compensa o trabalho. Porque continuamos com o problema de otimizar os compiladores.... que em tese deveriam trocar não apenas instruções, mas sim trocar algoritmos em cada caso, para utilizar a maior capacidade de resultados de 64 bits e ter um tempo bem menor de execução. Mas isto também ainda não ocorre.....

 

Enfim, entender hoje a fundo de linguagens de programação atuais, compiladores, otimização conforme o tipo de processador ( envolve noções de hardware com os caches ) E conforme o ambiente do Sistema operacional ( 32 ou 64 bits ) E ainda conseguir contornar as diferenças entre os Sistemas operacionais Windows ( XP, 7, 8, e sei lá o que mais vem... )  é uma tarefa para bem poucos, que são procurados a peso de ouro pelas grandes empresas de software. É um ponto onde os Engenheiros de Software deitam e rolam pois tem o conhecimento do funcionamento do hardware interno dos caches primários e secundários, e o paralelismo dos cores, coisa que os programadores comuns não conseguem dominar sem um grande estudo teórico.

 

Quanto ao Windows 8, pelo que eu lí ele não tem nada a ver com o desenho do Windows NT ( pai de todos os sistemas Windows desde 1999.... ), tendo finalmente abandonado muitas heranças que hoje eram problemáticas de serem mantidas. Mas eu não gostei nem um pouco das mudanças, além de tudo que eu rodei nele rodou mais lento que no meu velho Windows XP .... ou seja, prá que isso tudo se a performance até piorou ??? Só por causa do visual mais "moderno" ???

 

E creio que nem os programadores da Microsoft conseguem entender a fundo esse Windows.... tem tanta gente trabalhando junta que bem poucos dominam o funcionamento do conjunto.

 

Paulo

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@aphawk

Baixe o windows 10 ,voce vai gostar,estou usando para testes.

 

 

Copia B para um registrador,
Compara A com B e se forem igual sinaliza 1 bit num registrador, se n nao faz nada,
E por fim, uma instrucao que testa esse bit sinalizador, e se for 1 e porque A é igual a B, então ele pula para um endereco especifico do programa... Se nao, continua rodando o codigo.

No PIC18 pode ser feito com uma instrução CPFSEQ.

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Nao lembro das instrucoes do pic... Mas era so pra dar exemplo da diferenca das instrucoes mais simples para as complexas que rodam em arquitetura de 32 ou 64bits...

No caso das CPUs de pc, elas sao a mistura de RISC e CISC... Ela pode rodar um programa com instrucoes bem mais simples, que levam talvez 1 clock pra ser processada ou mesmo usar de instrucoes complexas, que ai levam mais de 1 clock...

Bom, nao sei exatamente, mas acho que instrucoes complexas sao melhores que as simples, por exemplo, um processo com instrucoes simples, é necessario 5 instrucoes simples, ja uma unica instrucao complexa seria necessario para fazer o mesmo processo...

Obvio que a simples leva tipo 1 clock, e a complexa mais de 1... Mas seria como5 clock x 3 clocks... Talvez...

Mas cá entre nós, se realmente os programadores fizessem tudo em assembly e usa las muito bem, seria um absurdo de diferenca!!

Bom, como e quase impossivel de fazer os programas de hoje em dia em assembly, então deve se investir em compiladores muito bons!

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post-668745-0-21553700-1421692500_thumb.

O SET de instruções esta perdido aqui em algum caderno.... :D

@aphawk,

Eu nao esqueci da promessa que você fez que iria estourar rojões quando algum brasileiro projetasse pelo menos algum microcontrolador ou CPU de pelo menos 10 instrucoes! (O meu é 8 bits e 16 instrucoes) :D kkkkkkkkkkk

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@mroberto98,

 

Concordo sobre o Assembly... é totalmente inviável nos dias de hoje. Mas que ia ficar um avião... acho que conseguiria no mínimo umas 5 vezes a performançe de hoje.....

 

Agora, sobre a promessa ..... eu não lembro de ter feito promessa nenhuma kkkkkk mas mesmo assim mereçe meus parabéns !!!! 

 

Paulo

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