Arquitetura de Computadores. Professor: Vilson Heck Junior (Material: Douglas Juliani)

Transcrição

1 Arquitetura de Computadores Professor: Vilson Heck Junior (Material: Douglas Juliani)

2 Agenda Conceitos Componentes Funcionamento ou tarefas Otimização e desempenho

3 Conceitos Componente de Hardware que executa um fluxo de instruções em linguagem de máquina Busca as instruções na memória e as executa Existem processadores com diferentes arquiteturas Possuem registradores internos para armazenar variáveis importantes e resultados temporários

4 Instruções Tratam-se de um conjunto limitado de operações bem definidas existentes na CPU utilizando-se de códigos numéricos; SOMA a b Obs: o comprimento da instrução depende da arquitetura do processador. Ex: um processador de 32 bits manipula dados de 32 bits.

5 Componentes - Unidade de busca de instrução: carrega as instruções na memória de alta velocidade denominada registradores de instruções, para que o processador possa executá-la rapidamente; - Unidade de decodificação de instrução: interpreta a instrução e passa à unidade de execução;

6 Componentes -Unidade lógica e aritmética ULA (ALU Arithmetic and Logic Unit) que executa operações básicas de aritmética e lógica; -Interface de barramento: permite que o processador interaja com a memória e com outros dispositivos do sistema;

7 Componentes - Cache: memória de alta velocidade; - Registradores: memórias de altas velocidades que guardam dados de uso imediato do processador.

8 Componentes ULA Unidade de busca / decodificação Registradores Cache de instrução L1 Cache de dados L1 Cache L2 Interface de Barramento

9 Tarefas

10 Tarefas

11 Tarefas

12 Tarefas

13 Tarefas Ex: Linguagem de alto nível A = A + B; Linguagem de maquina Carregue um registrador com o conteúdo da posição de memória A; Adicionar o conteúdo da posição de memória B ao registrador; Armazenar o conteúdo do registrador na posição de memória A

14 Tarefas

15 Tarefas A execução de uma instrução pode requerer leitura de dados da memória ou de um modulo de entrada e saída Ex: Carregue um registrador com o conteúdo da posição de memória A; Adicionar o conteúdo da posição de memória B ao registrador;

16 Tarefas

17 Tarefas A execução de uma instrução pode requerer efetuar operações aritméticas ou lógicas Etapa realizada pela ULA

18 Tarefas Circuito lógico combinacional que realiza operações booleanas Os dados para essas execuções devem estar nos registradores da CPU Depois de calculado ela armazena o resultado nesses registradores

19 Tarefas Operadores aritméticos e sua ordem de prioridade Operador Tipo Operação Prioridade + Binário Adição 4 - Binário Subtração 4 * Binário Multiplicação 3 / Binário Divisão 3 ** Binário Exponenciação 2 + Unário Manuten. do sinal 1 - Unário Inversão do sinal 1

20 Tarefas Operadores lógicos e suas relações de prioridade Operador Tipo Operação Prioridade OU Binário Disjunção 3 E Binário Conjunção 2 NÃO Unário Negação 1

21 Tarefas

22 Tarefas Os resultados da execução podem requerer escrever dados na memória ou no modulo E/S EX: Armazenar o conteúdo do registrador na posição de memória A Exibir o resultado da operação A = A + B na tela.

23 Tarefas

24 Componentes da UCP

25 Componentes

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27 Tarefas Circuito lógico seqüencial Responsável pela geração dos sinais de controle do Caminho de Dados Deve gerar sinais na seqüência adequada para implementar interpretação de instruções

28 Tarefas Tarefas desempenhadas: Transferir dados: de um registrador para outro de um registrador para fora da CPU externos para os registradores Coordenar a execução das operações lógicas e aritméticas

29 Tarefas As tarefas anteriormente citadas podem ser resumidas e duas: Sequenciar Onde a unidade de controle define a seqüência lógica de realização das tarefas Isso envolve a movimentação de dados entre os registradores e componentes externos Executar Onde a unidade de controle ordena que a ULA execute as tarefas

30 Tarefas

31 Componentes São áreas de trabalho (memórias) especiais dentro do processador que são mais rápidos que os operandos de memória. São projetados para trabalhar com códigos operacionais.

32 Componentes Conjunto de unidades de armazenamento; Funcionam num nível de hierarquia acima da memória principal e da memória cache; Também conhecida como memória de rascunho;

33 Componentes Parte destes registradores armazenam valores de dados e ponteiros durante a execução (registradores de propósito geral), os outros (registradores de controle) armazenam informações específicas de sistema, como por exemplo o contador de programa.

34 Componentes Podem ser acessados pelo usuário através das linguagens de maquina ou de montagem; Minimizam as referencias a memória principal; São classificados em: Registrador de Propósito geral Registrador de dados; Registrador de endereço; Registrador de código de condição;

35 Tarefas

36 Ciclo de instruções Ciclo de busca Ciclo de execução

37 Ciclo de instruções Lê a próxima instrução da memória Essa instrução esta armazenada no Contador de Programas (PC) O processador incrementa o valor de PC A instrução buscada é armazenada no registrador de instruções (IR) Isso envolve um tráfego de dados comandado pela Unidade de Controle

38 Ciclo de instruções Para realizar a busca o processador utiliza o barramento: - Interno (interliga os componentes da CPU) - Principal (do sistema) -Os dados trafegam entre os registradores através do barramento interno - Eles trafegam entre a memória principal e os registradores através do barramento do sistema

39 Ciclo de instruções Ciclo de execução Interpreta o código da operação e efetua a mesma; As ações efetuadas podem ser: Processador-memória Processador-E/S Processamento de dados Controle

40 Ciclo de instruções Exemplo: Ciclo de instruções para o código A = A + B; São necessárias 3 instruções: Carregar o valor de A Carregar e Somar o valor de B com valor de A Guardar o resultado em A e armazenar na memória Será realizado é 3 ciclos de busca e execução totalizando 6 passos;

41 Ciclo de instruções Exemplo: Lista de operações 0001 (1) Carregar o valor em AC 0010 (2) Armazenar o valor de AC na memória 0101 (5) Somar o valor de AC com o valor de um endereço

42 Ciclo de instruções

43 Ciclo de instruções

44 Ciclo de instruções

45 Ciclo de instruções

46 Ciclo de instruções

47 Ciclo de instruções

48 Tarefas

49 desempenho Atualmente as CPUs executam mais que uma instrução por vez; Objetiva o aumento do desempenho nas arquiteturas dos processadores

50 melhorias - Utiliza a organização pipeline com a intenção de executar mais que uma instrução ao mesmo tempo: unidade de busca -> unidade de decodificação -> unidade de execução. Iniciar uma nova instrução antes que a instrução corrente termine

51 Pipeline Suponha que existe uma lavanderia, que divide seu processo de trabalhos em 3 etapas: Colocar a roupa na maquina de lavar Depois de lavada colocar na secadora Depois de secada passar o ferro e dobrar Suponha que cada etapa possa ser realizada em 30 minutos:

52 Pipeline

53 Pipeline

54 Pipeline Aumenta o número de instruções executadas simultaneamente Aumenta taxa de instruções iniciadas e terminadas por unidade de tempo Melhora o desempenho do processo (throughput) Não reduz o tempo gasto para completar cada instrução individualmente.

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