Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores

Prof. Benito Piropo Da-Rin
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 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, etc.)
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 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)
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
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.

Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
Executa programas (instruções encadeadas,
convenientemente escolhidas, executadas em uma
dada seqüência 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.
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
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.
 Então:
Por que não integrar algumas funções nos mesmos CI?
 Problema:
Como fazer o CI “saber” que função executar?
 Solução:
Decodificar instruções.

Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
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 foram precedidos por um
circuito decodificador;
 Ao se fornecer o número correspondente ao
circuito capaz de executar cada tarefa ao
decodificador , este circuito seria energizado e a
tarefa seria executada.
 Este número (que identifica uma tarefa) recebeu o
nome de “Instrução”.

Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

Entra-se com a instrução em linguagem de
máquina (número binário) e o circuito
correspondente é acionado.
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

Continha apenas 4
CIs:
Memória ROM com a
programação para operar
(i4001)
Memória RAM para
armazenar resultados
intermediários (i4002)
Controlador de E/S para
receber e dados e exibir
resultados (i4003)
E o primeiro
microprocessador…
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
Fabricado em novembro de 1971
 Publicidade anunciava “Uma nova era da eletrônica
integrada” e mencionava pela primeira vez a
expressão “computer on a chip” (computador em
um único chip)
 Regs: 4 bits; Freqüência: 108 KHz; Preço: US$
1.000

Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

UAL (Unidade Aritmética e Lógica);
Registradores; Unidade de Controle; Unidade
de E/S
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

Unidade Aritmética e Lógica
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

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).
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Registradores
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo





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.
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

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, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Unidade
de Controle
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

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).
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo




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)
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
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.

Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Unidade
de Entrada e Saída
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo


Unidade de Entrada e Saída: 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
freqüência)
Pode ser muito simples ou muito complexa (cache)
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
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).
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Instruções
somente podem ser executadas
se estiverem armazenadas na MP!!!
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

No ritmo estabelecido pelo cristal da U. de
Controle...
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 No
tempo das galeras...
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Usando
a lâmpada do poste como sinal de
temporização.
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Busca
da instrução na MP:
1- “apontar” para o endereço e copiar instrução
no RI.
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Apontar
para nova instrução:
 2 – incrementar o endereço
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Execução
da instrução:
3 -Introduzir na U.Ctrl., decodificar, executar.
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
 Conjunto
de instruções:
NOT (entrada 2)
(entrada 1) AND (entrada 2)
(entrada 1) OR (entrada 2)
Soma completa (entrada 1) + (entrada 2)
 Entradas:
duas, com 1 bit cada;
 Saída: 1 bit
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo
Prof. Benito Piropo Da-Rin
Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo