Disciplina: Arquitetura de Computadores

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1 Disciplina: Arquitetura de Computadores Estrutura e Funcionamento da CPU Prof a. Carla Katarina de Monteiro Marques UERN

2 Introdução Responsável por: Processamento e execução de programas armazenados na memória principal; Realização de qualquer operação realizada por um computador; Emissão de sinais de controle para os demais componentes realizarem suas tarefas.

3 Ciclo de Instrução Básico Processador executa instruções CPU (central processing unit) UCP (unidade central de processamento) 3

4 Ciclo de Instrução Básico 4

5 Organização da CPU CPU é dividida em: ULA (Unidade Lógica e Aritmética); UC (Unidade de Controle). Possui um barramento interno para transferir dados entre os registradores e a ULA.

6 Organização da CPU

7 Unidade de Controle (UC) Funções: Realizar o controle das operações no computador; Gerenciar todos os recursos através da emissão de sinais de controle; Responsável pela busca, interpretação e controle das instruções.

8 Função Controle Dispositivos participantes: Registrador de Instrução RI Armazena a instrução a ser executada pela CPU. Contador de Instrução CI Armazena o endereço da próxima instrução a ser executada. Decodificador de Instrução Identifica a instrução que será realizada (cujo código de operação foi decodificado).

9 Função Controle (Cont.) Registrador de Dados de Memória RDM Armazena os dados na CPU por um curto período. Registrador de Endereços de Memória REM Armazena o endereço a ser acessado na memória por um curto período.

10 Função Controle (Cont.) Relógio: Dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo; Frequência: Número de vezes de repetição deste pulso em um segundo Usamos para definir velocidade (desempenho) da CPU. A unidade de medida utilizada para a freqüência dos relógios da CPU é o hertz (Hz) 1 ciclo por segundo.

11 Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Funções: Executar (literalmente) as instruções; Realizar as operações lógicas e aritméticas.

12 Função Processamento Consiste na ação de manipular dados de modo a produzir um resultado útil; Dispositivos envolvidos: ULA - Unidade Lógica e Aritmética; Registradores. A interligação entre esses componentes ocorrem pelos barramentos internos da CPU.

13 Registradores CPU deve ter armazenamento temporário para trabalhar (registradores); O número de registradores em um computador depende do modelo; Número e função de registradores variam entre tipos de processadores; É uma das maiores decisões de projeto.

14 Registradores Registradores da CPU têm duas funções: Visíveis ao usuário: Permite ao programador minimizar referências à memória. Controle e estado: UC controla a operação da CPU; Programas privilegiados do SO controlam a operação de outros programas.

15 Registradores Visíveis ao Usuário Pode ser referenciado pela linguagem de máquina que a CPU executa; Classificação: Propósito Geral; Dados; Endereços; Códigos de Condição.

16 Registradores de Propósito Geral Pode ser usado para operandos (restrições para pontos flutuantes/pilha); Pode ser usado para dados ou endereçamento; Dados Acumulador; Endereçamento Segmento, índices, topo da pilha.

17 Registradores de Propósito Geral Quando de propósito geral: Aumenta flexibilidade e opções de programador; Aumenta tamanho da instrução e complexidade; Quando especializados: Instruções menores (mais rápidas); Menos flexibilidade.

18 Quantos Registradores PGeral? Poucos = mais referências à memória; Número muito grande = não reduz muito as referências à memória.

19 Que tamanho? Grande o bastante para conter endereços completos ou uma palavra completa; Possível combinar dois registradores de dados: Programação C; double int a; long int a;

20 Registradores de Códigos de Condição (flags) Resultados de operações; Podem ser usados para testes de desvio condicional; Ex: resultado da última operação foi zero. Pode ser lido (implicitamente) por programas Ex: Salte (Jump) se zero. Não pode ser alterado (usualmente) por programas (só pelo hardware da CPU).

21 Registradores Controle & Estado Contador de programa (PC); Registrador de instruções (IR); Registrador de endereçamento à memória (REM); Registrador de armazenamento temporário de dados (RDM).

22 Palavra de estado de programa Registrador (ou conjunto de registradores); Conjunto de bits que incluem códigos de condição: Sinal: contém o sinal da última operação aritmética realizada pelo processador; Overflow: quando setado (=1) indica que a última operação aritmética realizada resultou em estouro do valor (um erro); Zero: quando setado (=1) indica que a última operação aritmética realizada resultou no valor zero.

23 Palavra de estado de programa (Cont.) Vai 1 (carry): indica que ocorreu vai 1 para o bit mais a esquerda na última operação de soma realizada; Igual; Habilitar/Desabilitar interrupção; Supervisor.

24 Exemplos de Organizações de Registradores

25 A Influência do Tamanho da Palavra A capacidade de processamento de uma UCP (a velocidade com que realiza o ciclo de uma instrução) é em grande parte determinada pelas facilidades embutidas no hardware da ULA para realizar as operações matemáticas projetadas.

26 A Influência do Tamanho da Palavra O valor do tamanho da palavra escolhido no projeto de fabricação da UCP determinará o tamanho dos elementos ligados à área de processamento, entre estes a ULA. Um tamanho maior ou menor de palavra (e, por conseguinte, da ULA, dos registradores de dados, do barramento interno) acarreta diferenças fundamentais de desempenho da UCP.

27 A Influência do Tamanho da Palavra O sistema 1 possui palavras de 8 bit, e a memória principal tem 64K células de 8 bits cada uma, conforme mostrado na Figura O sistema 2 possui palavras de 16 bits, e a memória principal possui um espaço de endereçamento de 1M células, todas também com 8 bits cada uma, conforme mostrado na Figura 5.11.

28 A Influência do Tamanho da Palavra Exemplo: Vamos realizar a soma de dois valores, A = 3A25 e B = 172C, ambos números inteiros, sem sinal, com 16 bits de tamanho cada um. A referida soma será simulada em 2 sistemas de computação, sistema 1 e sistema 2.

29 A Influência do Tamanho da Palavra O sistema 1 possui palavras de 8 bit, e a memória principal tem 64K células de 8 bits cada uma, conforme mostrado na Figura abaixo:

30 A Influência do Tamanho da Palavra O sistema 2 possui palavras de 16 bits, e a memória principal possui um espaço de endereçamento de 1M células, todas também com 8 bits cada uma, conforme mostrado na Figura abaixo:

31 A unidade de processamento, a palavra, é diferente nos dois sistemas, sendo a do sistema 2 o dobro do tamanho da do sistema 1, enquanto a unidade de armazenamento de ambos os sistemas tem o mesmo valor, 8bits; Ainda nos processadores atuais a unidade de armazenamento continua sendo o byte, isto é, as células são organizadas de modo a cada uma armazenar um byte; Já o tamanho da palavra vem evoluindo sistematicamente.

32 Operação de soma no sistema 1 1. A operação é realizada em duas etapas lógicas porque cada valor tem 16 bits e a CPU (ULA, registrador ACC e barramento de dados) só permite armazenar, processar e transferir dados com 8 bits de tamanho; 2. Na primeira etapa é transferida para a ULA, via ACC e barramento de dados, a 1ª metade de cada número (25 para o número A e 2C para o número B) e eles são somados; 3. Na segunda etapa a operação é realizada de forma idêntica, exceto para a 2ª parte dos valores (3ª para o número A e 17 para o número B).

33

34 Operação de soma no sistema 2 1. A operação é realizada em uma única etapa lógicas porque a CPU é fabricada para operar valores de 16 bits de tamanho, mesmo tamanho dos números. Desse modo os números não precisam ser divididos.

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