Introducao

UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU
ALUNOS: Jonathan Manoel Borges
Ismael Santos Kafeltz
Rosangela
Jeferson S.
Fabio Simon
CONSTRUÇÃO DE UMA UCP HIPOTÉTICA
Trabalho apresentado para avaliação na
Disciplina de Arquitetura de Computadores do
Curso de Ciência da Computação do Centro de
Ciência exatas e Naturais da Universidade
Regional de Blumenau.
Prof: MIGUEL ALEXANDRE WISINTAINER
BLUMENAU
DEZEMBRO DE 2002
Sumário
Introdução ...................................................................................... 1
ULA.................................................................................................. 2
Somador e Subtrator de 8 bits ......................................................... 2
AND ................................................................................................. 3
OR ................................................................................................... 3
XOR ................................................................................................. 3
NOT ................................................................................................. 4
NOP ................................................................................................. 4
Increment......................................................................................... 4
Acumulador ..................................................................................... 5
Banco de Registradores .................................................................. 5
PC.................................................................................................... 5
DIR .................................................................................................. 5
SelDir ............................................................................................... 6
Memória........................................................................................... 6
UCP ................................................................................................. 7
Anexos............................................................................................. 17
Introdução
Este trabalho demostra uma CPU hipotética construída no software Digital
Works 2.0. A CPU tem funções lógicas e aritméticas e movimentação de dados de
uma memória para outra. O objetivo é mostrar como funciona uma UCP passo a
passo baseado em clocks manuais para melhor visualização de todo o processo
que a máquina hipotética realiza, de acordo com as instruções previamente
colocadas na memória de programa.
ULA
ULA é formada por dois operandos de 8 bits A e B, com saída de 8 bits.
Possui 3 entradas de seleção de operação:

Seleção 000 -> Soma1;

Seleção 001 -> Subtração2;

Seleção 010 -> AND;

Seleção 011 -> OR;

Seleção 100 -> XOR;

Seleção 101 -> NOT;

Seleção 110 -> Linha Reta;

Seleção 111 -> Incremento*3;
FC: Flag Carry indica estouro de uma operação;
FZ: Flag Zero indica que o resultado da operação é 0(zero);
Enable: Sistem tri-state que joga o valor da ULA no BUS de dados.
Veja figura 1.
Somador e Subtrador 8 bits
Tem 16 entradas para operando sendo 8 bits para cada entrada A e B, e
uma saída S de 8 bits para resultado da operação. Tem 1 bit para seleção de
operação(0 para soma e 1 para subtração).Veja figura 2.
1|2|3
2
Altera o valor de FC
AND
Sua função é comparar os bits de entrada e jogar o resultado na saída S.
Tem 16 entradas, sendo 8 para entrada A e 8 para entrada B, e uma saída de 8
bits contendo o resultado da operação, contem internamente 8 portas lógicas tipo
AND. A tabela demostra a comparação de 2 bits para exemplo. Veja figura 3.
Entradas
Saída
A
B
S
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
OR
Tem 16 entradas, sendo 8 para entrada A e 8 para entrada B, e uma saída
de 8 bits contendo o resultado da operação, contem internamente 8 portas lógicas
OR. A tabela verdade demostra sua função. Veja figura 4.
Entradas
Saída
A
B
S
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
XOR
Tem 16 entradas, sendo 8 para entrada A e 8 para entrada B, e uma saída
de 8 bits contendo o resultado da operação, contem internamente 8 portas lógicas
XOR. A tabela verdade demostra sua função. Veja figura 5.
3
Entradas
Saída
A
B
S
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
NOT
Tem entrada de 8 bits e saída de 8 bits, contem internamente 8 portas
lógicas NOT e sua função é inverter o valor de entrada.
Veja figura 6.
Entradas
Saída
A
S
0
1
1
0
NOP
No operation, sua função é basicamente nada, somente deixa passar os
valores de entrada da ULA diretamente para a saída sem serem afetados.
Increment
Possui uma entrada B de 8 bits e uma saída de 8 bits, sua função é
incrementar a um, possui uma flag para indicar estouro.
Figura 8.
4
Acumulador
O acumulador nada mais é que um conjunto de Flip-Flips tipo de, teu tem
a função de armazenar dados para realizar operações posteriores.
Características:
Entrada: 8 bits de entrada por onde os valores serão enviados até ele
Saída: 8 bits de saída que jogam seus valores para o BUS de dados.
Carga: 1(um) bit de clock usado para receber os valores que é passado
pelo bus de dados
Enable: usado para ligar/desligar o acumulador.
Veja figura 7.
Banco de Registradores
É encapsulado 4 registradores, B,C,D e E.
Entradas: 8 bits para receber os dados do barramento de dados.
Saídas: 8 bits para colocar no barramento os valores guardados.
Seletores: 2 bits de entradas que selecionará o registrador a ser usado.
Carga: 1 bit de entrada para receber o clock que armazenará no
registrador selecionado o dado.
Enable: Habilita ou desabilita o banco de registradores.
Veja figura 10.
PC
Program Counter. É um buffer, aponta para uma instrução contida na
memória. Contém 8 bits de entrada e 8 bits de saída e 1 bit para carga. Ver figura
11.
DIR
Sua função é apontar para um endereço de memória. Contém 8 bits de
entrada e saída. Ver figura 12.
5
SelDir
É um multiplexador. Ela depende do PC e do DIR, tem duas entradas de 8
bits A e B, pelo seletor ela decide qual dos dois aparecerá na saída.
Memória
Memória do tipo RAM, que armazena as instruções e dados que serão
realizadas com algum propósito pela CPU hipotética.
Características: Possui 8 bits de entrada de dados e 8 bits para saída de
dados, R/W(read/write) que indica a operação de escrita ou de leitura(baixo é
escrita e alto é leitura), e CS que habilita ou desabilita a memória.
6
UCP – Unidade Central de Processamento
Objetivo da UCP é controlar todo o circuito. Recebendo instruções e
decodificando-as, e executando-as através de sinais de controle.
Componentes internos da UCP:

Clock - É ligado no Carga do IC.

RI – Registrador de Instruções, armazena a instrução atual que é
recebida da memória de programa. Tem 8 bits entrada ligadas
fisicamente ao bus de dados onde recebe a instrução. Dos 8 bits de
saída, os primeiros 3 bits (XXX0 0000), estão ligados diretamente à
Seleção de Operação da ULA. Os próximos 2 bits (000X X000), estão
ligados diretamente na Seleção de Registrador. Os 3 últimos
bits(0000 0XXX), estão ligados à Memória de Seleção de Controle. E
por último o sinal de carga que é ligado ao Clock.

Memória de Seleção de Controle(ROM) – Devido a grande
quantidade de sinais de controle da Memória de Controle, esta
memória é usada como uma memória auxiliar para decodificar os 3 bits
que vem do RI, indo para o IC através de um multiplexador, a primeira
Micro-Instrução de cada instrução na memória de controle. Ver tabela
de controle em anexos.

IC – Contador de Micro-Instruções – Objetivo deste registrador é
apontar para cada micro-instrução da memória de controle. A cada fim
de instrução, ou seja, na última micro-instrução é recebido um sinal de
reset apontando para a primeiro micro-instrução da memória de
controle(a primeiro micro-instrução da memória de controle é a busca
de instrução da memória de programa). O sinal de carga do IC, tanto
pode apontar para próxima posição da memória de controle como pode
apontar para primeiro micro-instrução de cada instrução da memória
de programa, dependendo o valor de SelRI.

Memória de controle - Contém todas as micro-instruções que irão
controlar todos os dispositivos. É endereçada pelo registrados IC.
7
Cada bit dos 16 bits de saída controla um dispositivo específico. Veja o
conteúdo da memória de controle na tabela 1 em anexos.
Sinais de Controle da Memória de Controle
Cada bit tem um sinal de controle para estes dispositivos.
Controles Internos:
1 bit ICres (Reseta registrador contador de micro-instrução).
2 bit RIcar (Carga do registrador de instrução).
3 bit SelRI (Seleção de entrada para IC; (0)IC=IC+1, (1)IC=RI).
Controles Externos:
Controles de endereçamento da memória de programa (RAM)
4 bit PCcar (Carga do registrador contador de programa)
5 bit DIRcar (Carga do registrador de endereço de memória RAM).
6 bit SelDIR (Seleção de registrador de endereço de memória de
programa). (0)End=PC, (1)End=Dir)
Controles da memória de programa:
7 bit MEMbus (Enable da Memória de Programa. Joga conteúdo da
memória no bus de dados).
8 bit MEMcar (Carga da memória de programa. Grava conteúdo do bus de
dados na memória)
Controles do Acumulador:
9 bit ACbus (Enable do Acumulador. Joga conteúdo do acumulador no bus
de dados)
10 bit ACcar (Carga do Acumulador. Grava conteúdo do bus de dados no
acumulador)
Controles do Banco de Registradores:
11 bit REGbus (Enable dos registradores. Joga conteúdo do registrador
selecionado no bus de dados)
8
12 bit REGcar (Carga dos registradores. Grava conteúdo do bus de dados
no registrador selecionado)
Controle do Registrador Buffer da ULA:
13 bit BUFcar (Carga do registrador Buffer da ULA. Carrega buffer com
conteúdo do bus de dados)
Controle da ULA:
14 bit ULAbus (Enable da ULA. Joga conteúdo resultante da ULA no bus
de dados)
Instruções da Memória de Programa
As instruções da memória de programa são divididas em três partes.
A primeira parte, com os 3 bits iniciais, referenciam a operação da ULA:
XXX0 0000
000 - ADD
100 - XOR
001 - SUB
101 - NOT
010 - AND
110 - MOV (não altera o valor)
011 - OR
111 - INC
A segunda parte, com os próximos 2 bits, selecionam o registrador no
Banco de Registradores.
000X X000
00 - B
10 - D
01 - C
11 - E
Os últimos três bits seleciona o tipo de operação do controlador(seleciona
a primeira micro-instrução da instrução).
0000 0XXX
9
Os primeiro controles da memória de controle são designados para
instrução de busca de instrução. Ou seja, a primeira instrução executada é
exatamente a busca de instrução, assim como cada fim de instrução da memória
de programa.
Controles de busca de instrução
(próximo clock começa a execução da instrução que está em RI)
0000 0000 0000 0000 (0) ->NOP
0000 0010 0000 0000 (7) ->MEMbus
0111 0000 0000 0000 (2,3,4)->RIcar, SelRI, PCcar
000 - Operação da ULA com AC e AC, resultando no AC
0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
0000 0000 1000 0000 (9)
->ACbus
0000 0000 0000 1000 (13)
->BUFcar
0000 0000 0000 0100 (14)
->ULAbus
0000 0000 0100 0000 (10)
->ACcar
1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
(AC = AC * AC)
001 - Operação da Ula com AC e AC, resultando no REG (REG = REG * AC)
0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
0000 0000 1000 0000 (9)
->ACbus
0000 0000 0000 1000 (13)
->BUFcar
0000 0000 0000 0100 (14)
->ULAbus
0000 0000 0001 0000 (12)
->REGcar
1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
010 - Operação da ULA com REG e AC, resultando no AC (AC = REG * AC)
0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
0000 0000 0010 0000 (11)
->REGbus
0000 0000 0000 1000 (13)
->BUFcar
10
0000 0000 0000 0100 (14)
->ULAbus
0000 0000 0100 0000 (10)
->ACcar
1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
011- Operação da ULA com o REG e AC, resultando no REG (REG = REG *
AC)
0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
0000 0000 0010 0000 (11)
->REGbus
0000 0000 0000 1000 (13)
->BUFcar
0000 0000 0000 0100 (14)
->ULAbus
0000 0000 0001 0000 (12)
->REGcar
1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
100 - Operação da ULA com MEM e o AC, resultando no AC
(AC = MEM *
AC)
0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
0000 0000 0000 1000 (13)
->BUFcar
0001 0000 0000 0100 (4,14)
->PCcar, ULAbus
0000 0000 0100 0000 (10)
->ACcar
1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
101 - Operação da Ula com MEM e o AC, resultando em REG(REG = MEM *
AC)
0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
0000 0000 0000 1000 (13)
->BUFcar
0001 0000 0000 0100 (4,14)
->PCcar, ULAbus
0000 0000 0001 0000 (12)
->REGcar
1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
11
110 - Operação da Ula com AC e AC, resultando em MEM(MEM = AC * AC)
0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
0000 0000 1000 0000 (9)
->ACbus
0000 0000 0000 1000 (13)
->BUFcar
0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
0000 1000 0000 0000 (5)
->DIRcar
0001 0100 0000 0100 (4,6,14)
->PCcar, SelDIR, ULAbus
0000 0101 0000 0000 (6,8)
->SelDIR, MEMcar
0000 0100 0000 0000 (6)
-> SelDIR
1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
111 - Operação da ULA com REG e AC, resultando em MEM (MEM = REG *
AC)
0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
0000 0000 1000 0000 (11)
->REGbus
0000 0000 0000 1000 (13)
->BUFcar
0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
0000 1000 0000 0000 (5)
->DIRcar
0001 0100 0000 0100 (4,6,14)
->PCcar, SelDIR, ULAbus
0000 0101 0000 0000 (6,8)
->SelDIR, MEMcar
0000 0100 0000 0000 (6)
-> SelDIR
1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
Siglas
* - Operação da ULA
MEM - Memória do programa
REG - Banco de Registradores
AC - Acumulador
BUF - Buffer da ULA
ULA - ULA
12
DIR - Registrador variável da memória de programa
PC - Registrador de endereço da memória de programa
RI - Registrador de instrução
IC - Contador de instrução
SelDIR - Multiplexador de endereço de memória RAM; (0)End=PC, (1)End=Dir
SelRI - Multiplexador de entrada para IC; (0)IC=IC+1, (1)IC=RI
bus - Sinais de Enable para barramento de dados
car - Sinais de Carga
res - Reseta registrador
PCcar = Esta instrução incrementa PC, fazendo com que ele aponte
para próxima posição de memória da memória de programa.
ICres = Esta instrução reseta IC, fazendo com que o processador execute a
primeira instrução gravada na memória de controle. Ou seja, indica o fim da
instrução corrente.
13
ANEXOS
Tabela de seleção de Memória de Controle
$00 -> $03
$01 -> $09
$02 -> $0F
$03 -> $15
$04 -> $1B
$05 -> $21
Tabela das Instruções da Memória de Controle
$00 -> $0000 -> 0000 0000 0000 0000 (0)
->NOP
$01 -> $0200 -> 0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
$02 -> $7000 -> 0111 0000 0000 0000 (2,3,4) ->RIcar, SelRI, PCcar
$04 -> $0080 -> 0000 0000 1000 0000 (9)
->ACbus
$05 -> $0008 -> 0000 0000 0000 1000 (13) ->BUFcar
$06 -> $0004 -> 0000 0000 0000 0100 (14) ->ULAbus
$07 -> $0040 -> 0000 0000 0100 0000 (10) ->ACcar
$08 -> $8000 -> 1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
$0A -> $0080 -> 0000 0000 1000 0000 (9)
->ACbus
$0B -> $0008 -> 0000 0000 0000 1000 (13) ->BUFcar
$0C -> $0004 -> 0000 0000 0000 0100 (14) ->ULAbus
$0D -> $0010 -> 0000 0000 0001 0000 (12) ->REGcar
$0E -> $8000 -> 1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
$10 -> $0020 -> 0000 0000 0010 0000 (11) ->REGbus
$11 -> $0080 -> 0000 0000 0000 1000 (13) ->BUFcar
$12 -> $0004 -> 0000 0000 0000 0100 (14) ->ULAbus
$13 -> $0040 -> 0000 0000 0100 0000 (10) ->ACcar
$14 -> $8000 -> 1000 0000 0000 0000 (1)
15
->ICres
$16 -> $0040 -> 0000 0000 0010 0000 (11) ->REGbus
$17 -> $0008 -> 0000 0000 0000 1000 (13) ->BUFcar
$18 -> $0004 -> 0000 0000 0000 0100 (14) ->ULAbus
$19 -> $0010 -> 0000 0000 0001 0000 (12) ->REGcar
$1A -> $8000 -> 1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
$1C -> $0200 -> 0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
$1D -> $0008 -> 0000 0000 0000 1000 (13) ->BUFcar
$1E -> $1004 -> 0001 0000 0000 0100 (4,14)->PCcar, ULAbus
$1F -> $0040 -> 0000 0000 0100 0000 (10) ->ACcar
$20 -> $8000 -> 1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
$22 -> $0200 -> 0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
$23 -> $0008 -> 0000 0000 0000 1000 (13) ->BUFcar
$24 -> $1004 -> 0001 0000 0000 0100 (4,14) ->PCcar, ULAbus
$25 -> $0010 -> 0000 0000 0001 0000 (12) ->REGcar
$26 -> $8000 -> 1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
$28 -> $0080 -> 0000 0000 1000 0000 (9)
->ACbus
$29 -> $0008 -> 0000 0000 0000 1000 (13) ->BUFcar
$2A -> $0200 -> 0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
$2B -> $0800 -> 0000 1000 0000 0000 (5)
->DIRcar
$2C -> $1404 -> 0001 0100 0000 0100 (4,6,14)->PCcar, SelDIR, ULAbus
$2D -> $0100 -> 0000 0001 0000 0000 (8)
->MEMcar
$2E -> $8000 -> 1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
$30 -> $0080 -> 0000 0000 1000 0000 (11) ->REGbus
$31 -> $0008 -> 0000 0000 0000 1000 (13) ->BUFcar
$32 -> $0200 -> 0000 0010 0000 0000 (7)
->MEMbus
$33 -> $0800 -> 0000 1000 0000 0000 (5)
->DIRcar
$34 -> $1404 -> 0001 0100 0000 0100 (4,6,14)->PCcar, SelDIR, ULAbus
$35 -> $0100 -> 0000 0001 0000 0000 (8)
->MEMcar
$36 -> $8000 -> 1000 0000 0000 0000 (1)
->ICres
16
Figura 1 Esquema da ULA internamente.
17
Figura 2 Esquema interno do Somador e Subtrador internamente
Figura 3 Esquema interno do AND internamente
18
Figura 4 Esquema interno do OR internamente
Figura 5 Esquema interno do XOR internamente
19
Figura 6 Esquema interno do NOT internamente
20
Figura 7 Esquema interno do ACUMULADOR internamente
21
Figura 8 Esquema interno do Increment(INCREMENTADOR) internamente
22
Figura 9 Esquema interno do Buffer de 8 bits internamente
23
Figura 10 Esquema interno do Banco de registradores internamente
24
Figura 11 Esquema interno do Program Counter internamente
25
Figura 12 Esquema interno do DIR internamente
26
Figura 13 Esquema interno do Multiplexador.
27
Figura 14 Esquema completo do Simulador.
28
Figura 15 Esquema completo da parte interna da UCP.
29