Microprocessadores MICROPROCESSADORES. Unidade de Processamento. Sumário

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1 MICROPROCESSADORES Nuno Cavaco Gomes Horta Universidade Técnica de Lisboa / Instituto Superior Técnico Sumário Introdução Unidade de Controlo Conjunto de Instruções Unidade Central de Processamento (CPU) Unidade de Entrada/Saída (I/O) Unidade de Memória Perspectiva Evolutiva das Arquitecturas de Computadores N. Horta, IST - UTL 2003/

2 N. Horta, IST - UTL 2003/ Sistemas Digitais Complexos: + Unidade de Controlo (Datapath): Módulo responsável pela execução das operações de processamento de dados. Unidade de Controlo: Módulo responsável pelo controlo da sequência de operações a executar na Datapath para implementação de uma tarefa. N. Horta, IST - UTL 2003/

3 Datapath: Caracteriza-se pelo conjunto de registos e pelo conjunto de operações realizado sobre os dados armazenados nos registos. Operações Elementares sobre Registos: Shift (Deslocamento), Clear (Apagar), Load (Carregamento), Incrementar, Decrementar, Somar, Subtrair, etc. Microoperações (Aritméticas, Lógicas, Deslocamento): Operações elementares aplicadas sobre os dados em registos. Unidade de Controlo: Fornece os sinais que permitem sequenciar as microoperações de um modo definido, e.g., sequência do conjunto de operações para realizar uma multiplicação. N. Horta, IST - UTL 2003/ Datapath: Caracteriza-se pelo conjunto de registos (Unidade de Armazenamento) e pelo conjunto de operações (Unidade Funcional) realizado sobre os dados armazenados nesses registos. N. Horta, IST - UTL 2003/

4 Datapath (Exemplo) Unidade de Armazenamento Unidade Funcional ALU: Unidade Logica e Aritmética Shifter: Unidade de Deslocamento (Exemplo de Operação) Entradas de Controlo (da U. de Controlo) Selecção de A Selecção de B Selecção de G Selecção de MB Selecção de MF Selecção de MD Selecção do Destino Carregamento do Resultado Operação relizada num 1 ciclo de relógio (Cálculo e Carregamento) N. Horta, IST - UTL 2003/ Exemplo de Operação: N. Horta, IST - UTL 2003/

5 Unidade de Armazenamento: N. Horta, IST - UTL 2003/ Registo: Elemento básico de memória que permite armazenar um conjunto de N bits (dimensão do registo). N. Horta, IST - UTL 2003/

6 Operação de Transferência de Dados entre 2 Registos: Controlo : Microoperação K1 : R2 R1 N. Horta, IST - UTL 2003/ Simbologia: (Transferências de Registos)? N. Horta, IST - UTL 2003/

7 Operações de Transferência entre Registos: (Multiplexagem) K1 : R0 R1, K1K2 : R0 R2... N. Horta, IST - UTL 2003/ Operações de Transferência entre Registos: (BUS) Multiplexers Dedicados BUS Único N. Horta, Multiplexers IST - UTL Dedicados: 9 portas lógicas (3x(2AND+1OR)), 2003/ linhas de entrada. 14 BUS: 4 portas lógicas (1x(3AND+1OR)), 3 linhas de entrada. 7

8 Operações de Transferência entre Registos: (BUS) Exemplo: O número de registos fonte em transferências simultâneas condiciona o número mínimo de BUSES no sistema BUS Único N. Horta, IST - UTL 2003/ Operações de Transferência entre Registos: (BUS Tri-State)? BUS Único BUS Three-State N. Horta, IST - UTL 2003/

9 READ : DR WRITE : M Exemplos: Operações de Transferência entre Registos: (BUS Endereços e Dados + Memória) M [ AR] [ AR] DR [ A1] 2 WRITE : M D ABD Control: 01 DBSD Control: 10 DBDD Control: 11 [ 2] READ : D1 M A ABD Control: 10 DBSD Control: 11 DBDD Control: 01 N. Horta, IST - UTL 2003/ Datapath (Exemplo) Unidade de Armazenamento Unidade Funcional ALU: Unidade Logica e Aritmética Shifter: Unidade de Deslocamento (Exemplo de Operação) Entradas de Controlo (da U. de Controlo) Selecção de A Selecção de B Selecção de G Selecção de MB Selecção de MF Selecção de MD Selecção do Destino Carregamento do Resultado Operação relizada num 1 ciclo de relógio (Cálculo e Carregamento) N. Horta, IST - UTL 2003/

10 Exemplo de Operação: N. Horta, IST - UTL 2003/ Unidade Funcional: Unidade Aritmética e Lógica (ALU) N. Horta, IST - UTL 2003/

11 Microoperações: (Aritméticas)? N. Horta, IST - UTL 2003/ Microoperações: (Lógicas) N. Horta, IST - UTL 2003/

12 Microoperações: (Deslocamento)? N. Horta, IST - UTL 2003/ ALU: Unidade Lógica e Aritmética N. Horta, IST - UTL 2003/

13 ALU: Circuito Aritmético (Exemplo) N. Horta, IST - UTL 2003/ Anexo ALU: Circuito Aritmético Yi = BiS0 + BiS1 C0 = Cin N. Horta, IST - UTL 2003/ i? X = A i 13

14 ALU: Circuito Aritmético (Exemplo) Soma Subtracção Incremento Decremento Transferência...? N. Horta, IST - UTL 2003/ ALU: Circuito Lógico (Exemplo) AND OR XOR NOT? N. Horta, IST - UTL 2003/

15 ALU: Circuitos Aritmético e Lógico (Exemplo) N. Horta, IST - UTL 2003/ Unidade Funcional: Unidade de Deslocamento N. Horta, IST - UTL 2003/

16 Unidade de Deslocamento: Circuito (Exemplo1) N. Horta, IST - UTL 2003/ Unidade de Deslocamento: Circuito (Exemplo2) N. Horta, IST - UTL 2003/

17 Datapath: Representação Hierárquica Diagrama de Blocos: Unidade de Armazenamento Unidade Funcional N. Horta, IST - UTL 2003/ Datapath: Representação Hierárquica Diagrama de Blocos: Unidade de Armazenamento Unidade Funcional N. Horta, IST - UTL 2003/

18 Datapath: Palavra de Controlo Palavra de Controlo: Conjunto de bits correspondente às variáveis de controlo que permitem seleccionar as microoperações. AA Selecção do Registo A BA Selecção do Registo B DA Selecção do R. de Destino MB Selecção do Operando B FS Selecção da Função na U. Funcional MD Sel. dos Dados para R. de Destino RW - Carregamento N. Horta, IST - UTL 2003/ Datapath: Codificação da Palavra de Controlo Nota: o número de palavras de controlo, com significado no presente caso, não é 2^17=131072, mas apenas 61440, justifique! N. Horta, IST - UTL 2003/

19 Datapath: Palavra de Controlo (Exemplo de Microoperações) N. Horta, IST - UTL 2003/ Datapath: Palavra de Controlo (Exemplo de Microoperações - Codificação)? N. Horta, IST - UTL 2003/

20 Datapath: Simulação da Execução de uma Sequência de Microoperações (Exemplo) N. Horta, IST - UTL 2003/ Unidade de Processamento: U.A. Temporizações N. Horta, IST - UTL 2003/

21 Unidade de Processamento: U.F.(1) Temporizações N. Horta, IST - UTL 2003/ Unidade de Processamento: U.F.(2) Temporizações N. Horta, IST - UTL 2003/

22 Unidade de Processamento: U.F.(3) Temporizações N. Horta, IST - UTL 2003/ Datapath: Arquitectura Convencional vs Arquitectura Pipeline Convencional Unidades a funcionar sequencialmente. Pipeline Unidades a funcionar em simultaneo. OF Operand Fetch EX Execute WB Write Back Pipeline oferece maior rapidez mas obriga a hardware adicional, 3 estruturas de Registos. N. Horta, IST - UTL 2003/

23 Datapath: Execução de Microoperações na Arquitectura Pipeline Execução Convencional: 7 x 12 = 84 ns Execução Pipelined: 9 x 5 =45 ns!! N. Horta, IST - UTL 2003/ BIBLIOGRAFIA [1] M. Morris Mano, Charles R. Kime, Logic and Computer Design Fundamentals, Prentice-Hall International, Inc. (Capítulo 7) N. Horta, IST - UTL 2003/