Prof. Benito Piropo Da-Rin. Arquitetura, Organização e Hardware de Computadores - Prof. B. Piropo

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1 Prof. Benito Piropo Da-Rin

2 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.)

3 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)

4 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.

5 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.

6 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.

7 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.

8 Entra-se com a instrução em linguagem de máquina (número binário) e o circuito correspondente é acionado.

9 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

10 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

11 UAL (Unidade Aritmética e Lógica); Registradores; Unidade de Controle; Unidade de E/S

12 Unidade Aritmética e Lógica

13 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).

14 Registradores

15 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.

16 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.

17 Unidade de Controle

18 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).

19 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)

20 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.

21 Unidade de Entrada e Saída

22 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)

23 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).

24 Instruções somente podem ser executadas se estiverem armazenadas na MP!!!

25 No ritmo estabelecido pelo cristal da U. de Controle...

26 No tempo das galeras...

27 Usando a lâmpada do poste como sinal de temporização.

28 Busca da instrução na MP: 1- apontar para o endereço e copiar instrução no RI.

29 Apontar para nova instrução: 2 incrementar o endereço

30 Execução da instrução: 3 -Introduzir na U.Ctrl., decodificar, executar.

31 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

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