ARQUITETURA DE COMPUTADORES - Sítio do B. Piropo · Unidade Central de Processamento •Características dos elementos internos da UCP: registradores, unidade de controle, decodificador

ARQUITETURA DE COMPUTADORES

Aula 08: UCP

Prof. Benito Piropo Da-Rin

Unidade Central de Processamento

• Características dos elementos internos da UCP: registradores, unidade de controle, decodificador de instruções, relógio do sistema.

• Funções do processador: controle e processamento

• O ciclo da instrução: microinstruções, subdivisão de uma instrução de máquina em microinstruções;mudanças de estado dos registradores da UCP ao longo da execução das instruções; Diferenças no processamento das instruções segundo suas características

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• UCP ou microprocessador: – Circuito Integrado “inteligente” (capaz de

cumprir diferentes funções determinadas por “instruções”)

– CI capaz de efetuar todas as operações necessárias ao processamento de dados.

– Componente mais importante, em geral identifica o computador (Pentium 4; Athlon 3000, Core i7, Phenom, etc.)



• A UCP é um CI…

• Principal diferença entre CI e processador: • CI: circuito “dedicado” (cumpre uma única

função).

• Processador: é um CI que cumpre múltiplas funções (cada uma determinada por uma instrução)


• Recebe dados e instruções (pulsos elétricos que representam números expressos em binário);

• Processa dados de acordo com as instruções;

• Devolve dados processados ao meio exterior.



• Resumindo: – Executa programas (instruções encadeadas,

convenientemente escolhidas, executadas em uma dada sequência com um determinado objetivo).

– Instrução: número expresso em binário (“linguagem de máquina”) que faz a UCP executar uma ação como: • Ler o número contido em uma posição da MP;

• Escrever um número em uma posição da MP;

• Ler/escrever números em dispositivo de entrada/saída;

• Somar números contidos em Regs, pôr resultado em Reg

• Comparar números e agir de acordo com o resultado.



• Histórico:

– Em 1967 NCM (Nippon Calculating Machine) solicitou à Intel 16 CIs para equipar sua calculadora “Busicom”;

– Os responsáveis (Ted Hof, Stan Mazor e Fred Fagin) constataram que os CIs seriam muito semelhantes.



• Histórico:



Então:

– Por que não integrar algumas funções nos mesmos CI?



• Histórico:



Então:


Problema:

– Como fazer o CI “saber” que função executar?



• Histórico:



Então:


Problema:

– Como fazer o CI “saber” que função executar?

Solução:

– Decodificar instruções. Arquitetura de Computadores Prof. Benito Piropo Da-Rin

• Circuito Decodificador: – O valor (número binário) aplicado aos terminais de

controle energiza o terminal de saída correspondente.




• Instruções : – Cada tarefa (antes executada por um CI dedicado)

teria um circuito lógico no interior do processador capaz de executá-la, identificado por um número;

– Todos estes circuitos são precedidos por um único circuito decodificador;

– Fornecendo ao decodificador o número do circuito capaz de executar determinada tarefa, este circuito é energizado e a tarefa é executada.

– Este número (que identifica uma tarefa) recebeu o nome de “Instrução”.


• Decodificando instruções:

– Entra-se com a instrução em linguagem de máquina (binário) e o circuito correspondente é acionado.



• Calculadora Busicom: – Continha apenas 4 CIs:

i4001: Memória ROM com a programação

i4002: Memória RAM para armazenar resultados intermediários

i4003: Controlador de E/S para receber e dados e exibir resultados

E o primeiro microprocessador….


• O Intel 4004 (i4004): – Fabricado em nov. 1971

– Publicidade anunciava “nova era da eletrônica integrada” e mencionava pela primeira vez a expressão “computer on a chip” (computador em um único chip) – Registradores: 4 bits;

– Frequência: 108 KHz;

– Preço: US$ 1.000


• Componentes da UCP: – UAL (Unidade Aritmética e Lógica); Registradores;

Unidade de Controle; Unidade de E/S.



• Componentes da UCP: UAL – UAL (Unidade Aritmética e Lógica).




• Componentes da UCP: a UAL – UAL: Unidade Aritmética e Lógica - combinação de

componentes eletrônicos (portas lógicas) capaz de executar operações aritméticas e lógicas como: • Somar, subtrair, multiplicar e dividir dois operandos;

• Executar operações lógicas (AND; OR; XOR e suas derivadas) com um ou dois operandos;

• Executar: complemento, incremento, decremento, NOT, deslocamento (à direita ou esquerda) com um operando.

– UAL: duas entradas (dois operandos), uma saída, circuitos internos formados por combinações (por vezes complexas) de portas lógicas (sempre simples).


• Componentes da UCP: Regs – Registradores.




• Registradores:

UAL não “enxerga” MP, só tem acesso à própria UCP (só pode ler dados e escrever resultados dentro da UCP)

Portanto: precisa de posições de memórias internas.

Registradores: põem dados ao alcance da UAL e UCtrl e funcionam como memória auxiliar (“rascunho”) da UCP recebendo operandos e resultados intermediários;

Não têm “endereços”, mas nomes. Alguns têm funções específicas (PI; RI), outros são de uso geral (ACC, etc);

Número de Regs e sua largura (em bits): dependem da arquitetura da UCP; decisão do projetista.



• Registradores:

Importância da largura (em bits) ou tamanho dos Regs: – Em geral todos os registradores têm a mesma largura;

– Tão importante que é usada para identificar o tipo ou “classe” da CPU: “de 16 bits”, “de 32 bits”, “de 64 bits”...

– Um dos fatores que definem o tamanho da “Palavra”

Importância do tamanho da PALAVRA (largura dos Regs ou “tamanho” dos operandos da UAL, o que for menor): – Quanto maior, menor o tempo gasto para executar instruções com

operandos;

– Quanto maior, maior o número de bits transferido em cada operação de leitura/escrita na MP;

– Quanto maior, maior o limite da capacidade da MP. Arquitetura de Computadores Prof. Benito Piropo Da-Rin

• Componentes da UCP: Ctrl – Unidade de controle.




• Componentes da UCP: Controle. Para que a ULA execute suas funções é preciso:

– Decodificar a instrução…

– Escrever operandos nos registradores…

– Emitir sinais de ctrl para ativar componentes auxiliares...

Tudo isto é feito pela Unidade de Controle, o cérebro que comanda o restante da UCP. Nela estão (entre outros):

– Cristal (freqüência de operação).

– Decodificador

– Circuitos que executam cada instrução (MicroOps; Há tantos circuitos quantas são as instruções do Conjunto de Instruções).



• Componentes da UCP: Controle. Decodificação das microoperações (mOps)



• Processadores CISC e RISC. – Conjunto de Instruções (Instruction set): “repertório” de ações

que cada UCP é capaz de executar.

– Cada uma identificada por um número (ling. de máquina).

– Para executar uma instrução ativa-se o circuito lógico a ela correspondente (há um para cada instrução).

– CISC: Complex Instruction Set Computer • Conjuntos nos quais algumas instruções simples são agrupadas

em uma única, mais complexa, para facilitar tarefa dos programadores (exemplo: movimentar grandes trechos de dados na MP)

– RISC: Reduced Instruction Set Computer • Conjunto menor de instruções simples executadas repetidamente

que produzem o mesmo resultado que uma única mais complexa (o programa é otimizado pelos compiladores e fica mais rápido)



• Cristal, relógio ou “clock”. – Faz parte da Unidade de Controle;

– É um cristal de quartzo que dita o ritmo, cadência ou “freqüência de operação” F da UCP gerando pulsos de tensão de mesma duração em intervalos constantes.

– “Ciclo de máquina” T: intervalo decorrido entre o início de dois pulsos sucessivos.


• Componentes da UCP: E/S (ou I/O) – Unidade de Entrada e Saída.




• Componentes da UCP: Unidade de E/S – Elo de ligação entre CPU e os demais componentes

da placa mãe (inclusive MP e dispositivos de E/S do computador);

– Ligada ao mundo exterior pelos barramentos de Dados, Endereços e Controle: • Barramento de Controle: ligado à Unidade de Controle • Barramento de dados: ligado ao RDM • Barramento de endereços: ligado ao REM.

– Responsável por troca de dados e adequação dos sinais de controle e transporte de dados (tensão e frequência)

– Pode ser muito simples ou muito complexa (cache)



• O que faz a UCP? – Executa instruções ininterruptamente (jamais pára). – Como funciona?

Sucessivos ciclos de busca e execução: “busca” instrução na MP, transfere para registrador de instrução, executa, busca nova instrução e assim por diante.

– Em que consiste a execução de instruções? Controle: busca de dados e instruções na MP,

decodificação, comunicação com o exterior (MP e E/S) Processamento: execução de operações aritméticas e

lógicas, desvios no fluxo do programa, movimentação de dados (MP -> UCP / UCP -> MP / Reg -> Reg).


• Onde estão as instruções? – Instruções somente podem ser executadas da MP!!!



• Em que ritmo são executadas? – No ritmo estabelecido pelo cristal da U. de Controle.



Divisor de frequência

• Lógica temporizada. No tempo das galeras....



• Lógica temporizada. Usando a lâmpada do poste como sinalizador



• Ciclo de Busca e Execução I 1 – Busca: “apontar” para o endereço e copiar instrução no RI



• Ciclo de Busca e Execução II 2 – incrementar endereço (“apontar” para a próxima instr.)



• Ciclo de Busca e Execução III 2 – Execução: (introduzir na U. Ctrl., decodificar, executar)



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