arquitetura de computadores

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.)
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• 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)
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• 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.
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• 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.
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• 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.
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• 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.
Então:
– Por que não integrar algumas funções nos mesmos CI?
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• 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.
Então:
– Por que não integrar algumas funções nos mesmos CI?
Problema:
– Como fazer o CI “saber” que função executar?
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• 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.
Então:
– Por que não integrar algumas funções nos mesmos CI?
Problema:
– Como fazer o CI “saber” que função executar?
Solução:
– Decodificar instruções.
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• Circuito Decodificador:
– O valor (número binário) aplicado aos terminais de
controle energiza o terminal de saída correspondente.
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• 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”.
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• Decodificando instruções:
– Entra-se com a instrução em linguagem de máquina
(binário) e o circuito correspondente é acionado.
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• 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….
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• 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
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• Componentes da UCP:
– UAL (Unidade Aritmética e Lógica); Registradores;
Unidade de Controle; Unidade de E/S.
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• Componentes da UCP: UAL
– UAL (Unidade Aritmética e Lógica).
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• 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).
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• Componentes da UCP: Regs
– Registradores.
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• 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.
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• 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.
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• Componentes da UCP: Ctrl
– Unidade de controle.
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• 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).
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• Componentes da UCP: Controle.
 Decodificação das microoperações (mOps)
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• 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)
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• 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.
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• Componentes da UCP: E/S (ou I/O)
– Unidade de Entrada e Saída.
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• 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)
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• 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).
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• Onde estão as instruções?
– Instruções somente podem ser executadas da MP!!!
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• Em que ritmo são executadas?
– No ritmo estabelecido pelo cristal da U. de Controle.
Divisor de frequência
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• Lógica temporizada.
No tempo das galeras....
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• Lógica temporizada.
 Usando a lâmpada do poste como sinalizador
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• Ciclo de Busca e Execução I
1 – Busca: “apontar” para o endereço e copiar instrução no RI
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• Ciclo de Busca e Execução II
2 – incrementar endereço (“apontar” para a próxima instr.)
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• Ciclo de Busca e Execução III
2 – Execução: (introduzir na U. Ctrl., decodificar, executar)
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Aula 09: UCP
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