Célula x Palavra X Barramento de Dados

Célula, Palavra, Ciclo de Instruções
e Lógica Temporizada
IFBA – Instituto Federal de Educ. Ciencia e Tec Bahia
Curso de Analise e Desenvolvimento de Sistemas
Arquitetura de Computadores – 20 e 21/30
Prof. Msc. Antonio Carlos Souza
Referências Bibliográficas:
1.
2.
3.
Ciência da Computação: Uma visão abrangente - J.Glenn
Brokshear
Introdução à organização de computadores – Mário
Monteiro – LTC
Organização Estrutura de Computadores – Andrew S.
Tanembaum - LTC
Célula x Tamanho da Memória
1)
Numa MP com 1kbyte de capacidade, onde cada
célula tem 8 bits:
a) quantas células tem a MP?
b) quantos bits são necessários para representar um
endereço de memória?
2)
Um computador endereça 1k células de 16 bits cada
uma. Pede-se:
a) sua capacidade de memória;
b) o maior endereço que o computador pode
endereçar;
3)
A memória de um computador tem capacidade de
armazenar 256 bits e possui um barramento de
dados de 16 bits. Pede-se:
a) o tamanho da célula de memória;
Palavra da CPU
Quantidade de bits que a cpu
processa por vez
¡ Palavra de 16 bits = 2 bytes de
processamento por vez
¡ Palavra de 32 bits = 4 bytes
¡ Palavra de 128 bits
¡
Palavra x Barramento
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Há "computadores de 64 bits" mesmo quando
seu barramento de dados é de 32 bits, nesse
caso referindo-se exclusivamente à capacidade
de manipulação da UCP de 64 bits (isto é, sua
UAL e acumulador tem 64 bits).
Os microprocessadores Intel 8086 (16 bits,
sendo todos seus elementos de 16 bits) e seu
"irmão" mais novo 8088, usado nos primeiros
IBM/PC e XT (idêntico sob quase todos os
aspectos ao 8086 e também dito de 16 bits,
sendo que UAL e registradores são de 16 bits
mas o barramento de dados é de apenas 8 bits,
por economia e razões de compatibilidade com
toda uma geração de placas de 8 bits).
Palavras x Barramento
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Destaque-se que nesse caso as
transferências de dados através do
barramento de dados se fazem em
duas etapas, um byte de cada vez, e
em conseqüência no 8088 elas
consomem o dobro dos ciclos de
barramento que o 8086), o que torna
suas operações de transferência de
dados mais lentas que as de seu
"irmão" 8086.
Lógica Temporizada
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as instruções, os dados e os
endereços "trafegam" no
computador através dos
barramentos (de dados, de
endereços e de controle).
Mas os dados no computador não
ficam estáticos; pelo contrário, a
cada ciclo (cada "estado") dos
circuitos, os sinais variam.
Lógica Temporizada
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Ou seja, os sinais ficam estáticos apenas por
um curto espaço de tempo, necessário e
suficiente para os circuitos poderem detetar os
sinais presentes no barramento naquele instante
e reagir de forma apropriada.
Assim, periodicamente, uma nova configuração
de bits é colocada nos circuitos, e tudo isso só faz
sentido se pudermos de alguma forma organizar e
sincronizar essas variações, de forma a que, num
dado instante, os diversos circuitos do
computador possam "congelar" uma configuração
de bits e processá-las.
Lógica Temporizada
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Para isso, é preciso que exista um outro
elemento, que fornece uma base de
tempo para que os circuitos e os sinais se
sincronizem.
Este circuito é chamado clock - o relógio
interno do computador. Cada um dos
estados diferentes que os circuitos
assumem, limitados pelo sinal do clock, é
chamado um ciclo de operação.
Lógica Temporizada
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A Unidade de Controle da UCP envia a
todos os componentes do computador um
sinal elétrico regular - o pulso de "clock" que fornece uma referência de tempo
para todas as atividades e permite o
sincronismo das operações internas. O
clock é um pulso alternado de sinais de
tensão, gerado pelos circuitos de relógio
(composto de um cristal oscilador e
circuitos auxiliares).
Lógica Temporizada
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Cada um destes intervalos regulares de tempo é
delimitado pelo início da descida do sinal,
equivalendo um ciclo à excursão do sinal por um
"low"e um "high" do pulso.
O tempo do ciclo equivale ao período da
oscilação. A física diz que período é o inverso da
freqüência. Ou seja,
P = 1 / f.
A freqüência f do clock é medida em hertz.
Inversamente, a duração de cada ciclo é chamada
de período, definido por P=1/f (o período é o
inverso da freqüência).
Por exemplo, se f = 10 hz logo P = 1/10 = 0,1 s.
Lógica Temporizada
Lógica Temporizada
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Os primeiros computadores tinham um único
sinal de clock geral, válido para UCP,
memória, barramentos de E/S (entrada /
saída), etc. À medida que a tecnologia foi se
aperfeiçoando, a freqüência de clock de
operação dos processadores (e, em menor
escala, também a das memórias) aumentou
em uma escala muito maior que a dos
demais componentes.
Lógica Temporizada
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Desta forma, foi necessário criar diferentes pulsos de
clock para acomodar as freqüências de operação dos
diferentes componentes.
A placa-mãe de um PC utiliza uma freqüência-mestra
(hoje em geral de 66 Mhz, equivalente a um período
de 15 ns, estando em prancheta placas para 100
MHz) para seu barramento (ciclo de barramento), a
qual é multiplicada ou dividida para ser utilizada
pelos demais componentes:
- o processador tem essa freqüência multiplicada por
2 (133 Mhz) a 4 (266 MHz),
- o barramento PCI usa freqüências reduzidas pela
metade (33 Mhz),
- as memórias (ciclos da ordem de 60 ns) usam
freqüências reduzidas a um quarto e
- as cache secundárias (ciclos entre 10 e 20 ns) usam
a própria freqüência da placa-mãe.
Desempenho dos processadores
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Medida em termos da velocidade de
trabalho
Execução de instruções por
intervalo de tempo
MIPS (milhões de instruções por
segundo)
MFLOPS (milhões de operações de
ponto flutuante por segundo)
Cache
Esquema Básico
Ciclo de Intruções
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Primeiramente, o programa a ser
executado precisa ser carregado
(armazenado) na MP, o que é feito pelo
Sistema Operacional, que também se
encarrega de informar à UCP onde o
programa começa.
O Sistema Operacional faz isto "setando"
o PC (isto é, colocando no PC o endereço
da MP onde está localizada a primeira
instrução daquele programa).
Ciclo de Instruções
¡
A partir daí se realiza o processamento
automático, executando-se as instruções
seqüencialmente uma a uma, o que é
obtido através do incremento automático
do PC.
¡
Obs: Se o programa inclui uma instrução
de desvio, o fluxo seqüencial pode ser
alterado.
Ciclo de Instruções
¡
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A UCP não diferencia um dado de uma instrução.
A UCP não "executa" dados devido ao conteúdo
do CI, que é incrementado pelo tamanho da
instrução e fica sempre apontando para a próxima
instrução.
Mas se em um programa houver uma instrução
de desvio para um endereço em que esteja
contido um dado, a UCP interpretaria o valor
binário do dado como se fosse o código de uma
instrução, tentaria executar e o resultado seria
imprevisível.
Ciclo de Instrução
1 - A UCP busca o código de operação na MP e armazena no
Registrador de Instrução da UC
Fase: Busca da instrução - (Instruction Fetch) - ciclo de busca
RI <--- (PC)
Micro-operações:
- a UC lê o conteúdo do PC (endereço da próxima instrução )
e coloca o endereço no REM;
- a UC envia um sinal à memória de operação de leitura
(memory read), via barramento de controle;
- a memória lê o endereço que está no REM, via barramento
de endereços, e busca o conteúdo da célula referenciada;
- a memória coloca no RDM, via barramento de dados, o
conteúdo da célula lida;
- a memória envia à UC, via barramento de controle, um sinal
de "leitura concluída";
- a UC transfere o código de operação (o conteúdo do RDM)
ao RI.
Ciclo de Instruções
¡
2 - A UC (decodificador de instruções) decodifica o
Código de Operação.
Fase: Busca da instrução - (Instruction Fetch) - ciclo de
busca
Micro-operações:
- o Decodificador de Instruções decodifica o opcode;
- o Decodificador de Instruções determina quantas
células a instrução ocupa;
- a UC incrementa o CI para apontar para a próxima
instrução: PC<--- (PC+ n), onde n = nº de células que
a instrução ocupa.
- a UC incrementa o REM para apontar para o
operando: REM <--- (REM + 1);
Ciclo de Instruções
3 - A UC busca (se houver) o(s) operando(s)
Fase: Busca de operandos (Operand Fetch) - ciclo de
execução
RI <--- (Op)
Micro-operações:
- a UC envia um sinal à memória de operação de
leitura (memory read), via barramento de controle;
- a memória lê o endereço que está no REM, via
barramento de endereços, e busca o conteúdo da
célula referenciada;
- a memória coloca no RDM, via barramento de
dados, o conteúdo da célula lida;
- a memória envia à UC, via barramento de controle,
um sinal de "leitura concluída";
- a UC transfere o operando (o conteúdo do RDM) ao
RI.
Ciclo de Instruções
* Se o operando é o próprio dado:
-- a UC transfere o dado (o conteúdo do RDM) ao ACC.
-- vai para operação 4; caso contrário:
* Se o operando é um ponteiro para onde o dado está
armazenado:
-- a UC coloca no REM o endereço de onde o dado está
armazenado;
-- a UC envia um sinal à memória de operação de leitura
(memory read), via barramento de controle;
-- a memória lê o endereço que está no REM, via barramento
de endereços, e busca o conteúdo da célula referenciada;
-- a memória coloca no RDM, via barramento de dados, o
conteúdo da célula lida;
-- a memória envia à UC, via barramento de controle, um
sinal de "leitura concluída";
-- a UC transfere o dado (o conteúdo do RDM) ao ACC;
-- vai para operação 4.
Ciclo de Instrução
4 - A UC comanda a execução da
instrução (a operação é executada
sobre o dado).
Fase: Execução da instrução - ciclo
de execução
- UAL executa a instrução