Célula, Palavra, Ciclo de Instruções e Lógica Temporizada

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1 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. Ciência da Computação: Uma visão abrangente - J.Glenn Brokshear 2. Introdução à organização de computadores Mário Monteiro LTC 3. Organização Estrutura de Computadores Andrew S. Tanembaum - LTC

2 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;

3 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

4 Palavra x Barramento 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).

5 Palavras x Barramento 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.

6 Lógica Temporizada 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.

7 Lógica Temporizada 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.

8 Lógica Temporizada 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.

9 Lógica Temporizada 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).

10 Lógica Temporizada 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.

11 Lógica Temporizada

12 Lógica Temporizada 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.

13 Lógica Temporizada 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.

14 Desempenho dos processadores 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)

15 Cache

16 Esquema Básico

17 Ciclo de Intruções 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).

18 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.

19 Ciclo de Instruções 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.

20 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.

21 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);

22 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.

23 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.

24 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