Arquitetura de Computadores. Ciclo de Busca e Execução

Transcrição

1 Arquitetura de Computadores Ciclo de Busca e Execução

2 Ciclo de Busca e Execução Início Buscar a próxima instrução Interpretar a instrução Executar a instrução Término

3 Funções realizadas pela UCP Funções básicas realizadas pela UCP: Função de Processamento; se encarrega de realizar as atividades relacionadas com a efetiva execução de uma operação, ou seja, processar (executar a instrução) de instruções; Função de controle. exercida pelos componentes da CPU que se encarregam de atividades de busca, interpretação e controle da execução das instruções, bem como do controle da ação dos demais componentes do sistema de computação (memória, entrada/saída).

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5 Unidade Logica Aritmética (ULA) A ULA é o dispositivo da UCP que executa as operações matemáticas com dados, tais como: Soma; Multiplicação; Divisão; Subtração; Operação logica AND; Operação logica OR; Operação logica XOR; Operação de Complemento; Deslocamento a direita; Deslocamento a esquerda; Incremento; Decremento;

6 BUI Interface de Barramento BTB Memoria de desvios ALU Unidades aritméticas para inteiros BIU Unidade de interface de barramento FPU Unidade de ponto flutuante

7 Registradores Os registradores formam um conjunto de memoria temporária interna ao processador, cujo sua função é de ajudar na execução de tarefas pela ULA por exemplo, auxiliando e deixando o processamento mais rápido. Existem vários registadores como já mencionados anteriormente, como os de uso especifico e de uso geral. Podemos citar alguns registradores de uso especifico como: CI (contador de instruções), RI (registrador de instruções), RDM (registrador de dados de memoria), REM (registrador de endereços).

8 Relógio É um conjunto gerador de pulsos, cuja a duração é chamada de ciclos. Os ciclos são medidos em hertz, sendo assim, a quantidade de ciclos que se repete em um segundo é chamado de frequência.

9 Registrador de Instruções (RI) É o registrador que tem a função especifica de armazenar a instrução a ser executada ela UCP. Contador de Instruções (CI) É o registrador responsável por armazenar o endereço da próxima instrução a ser executada. Logo que a instrução comece a ser executada, o sistema já prepara o CI para receber a sua nova instrução.

10 Decodificador de Instruções É um dispositivo utilizado para identificar que operação será utilizada, correlacionada a instrução cujo o código de operação foi decodificado, ou seja, cada instrução é uma ordem para UCP realize uma determina operação.

11 RDM Registrador de dados É um registrador responsável de armazenar dados temporariamente para que sejam processados, sendo feita a transição entre a MP e a UCP. REM Registrador de endereços É o registrador responsável por buscar endereços na MP e assim informar a posição dos dados ou instruções a serem realizadas pelo UCP.

12 Instrução de Maquina Uma instrução de máquina é a formalização de uma operação básica (ou primitiva) que o hardware é capaz de realizar diretamente. (Monteiro, 2002) Controlam tudo aquilo que a máquina pode fazer. Podem, por exemplo, ser uma instrução LOAD e STORE que permite a movimentação dos dados entre a UCP e a Memória Principal.

13 Instruções de Máquina Transferir uma palavra da dados de uma célula para outra. Efetuar a soma entre dois operandos, guardando o resultado em um deles ou em um terceiro operando. Desviar incondicionalmente para outro endereço fora da sequência. Testar uma condição. Se teste verdadeiro, então desviar para outro endereço fora da sequência. Realizar uma operação lógica AND entre dois valores. Parar a execução de um programa. Adicionar 1 ao valor do operando. Transferir um byte de dados de uma porta de E/S para a M.P. Transferir um byte de dados da M.P. para uma porta de E/S. Substituir o operando por seu valor absoluto.

14 Formato das Instruções C.op. identifica a operação a ser realizada pelo processador. É o campo da instrução cujo valor binário indica uma operação. Assim, cada instrução possui um único código, o qual servirá de entrada no decodificador. Op. é o campo da instrução cujo valor binário indica a localização do dado que será manipulado durante a realização da operação. Exemplo de Instrução de 1 byte: ADD r (add register) ==> (ACC) <--- (ACC) + (r) (o conteúdo do registrador indicado em SSS é somado ao conteúdo do acumulador e o resultado é colocado no acumulador).

15 Formato de Instruções Uma instrução é formada por: um código de operação (obrigatório) informações a respeito da fonte e do destino de seus operandos (facultativo)

16 Formato de Instruções

17 Formato de Instruções O código de operação informa ao hardware o que deve ser feito quando de sua execução. As instruções podem ter tamanhos diversos (complica o projeto mas tem-se economia de memória) ou serem todas de tamanhos iguais (simplifica o projeto, mas desperdiça espaço. Porque?)

18 Endereçamento As instruções geralmente tem operandos, e assim precisa identificar onde estão, isso é o endereçamento. Até este momento não ligamos como os bits foram endereçados e interpretados para achar o operando. Isso se chama modos de endereçamento que podem ser imediato, direto e registrador.

19 Endereçamento Endereçamento Imediato O campo de instrução de endereçamento contém o valor do operando Esse operando é conhecido como operando imediato, pois ele é trazido automaticamente da memória, na própria operação de busca da instrução. Mais usado para especificar constantes de valor pequeno. Porque? MOV R1 4

20 Endereçamento Endereçamento Direto O operando armazenado na memória é informado pelo seu endereço completo Esse modo de endereçamento é conhecido como modo de endereçamento direto. O endereçamento direto só pode ser usado para acessar variáveis globais cujo endereço seja conhecido em tempo de compilação. Porque?

21 Endereçamento Endereçamento Via Registrador é, conceitualmente, idêntico ao endereçamento direto, mas especifica um registrador em vez de um endereço de memória. é o modo de endereçamento mais usado na maioria dos processadores (mantêm-se as variáveis mais usadas no processamento e aproveita-se o baixo tempo de acesso e número de bits reduzido dos registradores) não pode ser usado em operações de carga (LOAD) e armazenamento (STORE) envolvendo memória principal.

22 Endereçamento Endereçamento Indireto Via Registrador o operando especificado vem da memória ou vai para a memória, mas seu endereço não está gravado na instrução, (como no endereçamento direto). O endereço é obtido indiretamente a partir do endereço de um registrador de referência. por exemplo, quando se tem um loop de manipulação de um array usa-se o endereço do início do array como referência e os demais são obtidos indiretamente com base nessa referência.

23 Endereçamento Importante: Existem outros tipos de endereçamento ( Indexado, Base-Indexado, Via Estrutura de Pilha,...) que não serão tratados neste curso, mas devem ser estudados e considerados pelos profissionais responsáveis pelo projeto do ISA de um computador.

24 Nível de Maquina de Sistema Operacional O sistema operacional é para o programador como um canivete suíço, pois acrescenta um conjunto de instruções e características acima do nível ISA, e podemos chamar este nível de OSM(máquina de sistema operacional). OSM fornece as instruções do conjunto ISA além de novas instruções que auxiliam o programador, que denominamos chamadas de sistema. Chamadas de sistema invocam um serviço predefinido do sistema operacional.

25 Memória Virtual Nos computadores mais antigos, os programas não cabiam na memoria, fazendo com que os programadores tivessem que usar um artificio chamado de sobreposição (overlay). Para isso, era usado uma memoria secundária onde o programador dividia o programa em partes que caberiam na MP e na secundária, fazendo o processo manualmente. Para isso foi elaborado um algoritmo por um grupo de pesquisadores da Inglaterra para o uso desta técnica de forma automática, sendo assim chamada de memória virtual.

26 Paginação É uma forma de mapeamento de memória onde se busca parte da memoria que foi endereçada para assim colocar o programa. EX.: Para um computador que trabalha com 4K, caso seja endereçado para 8192 a 12287, o que aconteceria? O conteúdo da MP seria salvo em disco. Palavras 8192 a seriam localizadas no disco. Palavras 8192 a seriam carregadas para a MP. O mapa de endereços seria alterado para mapear endereços a para localização de memória 0 a A execução continuaria como se nada em comum tivesse acontecido. Essa técnica de sobreposição automática chama-se paginação e os trechos de programas são chamados de páginas.

27 Paginação MMU(Memory Managment Unit Unidade de gerenciamento de memória): faz o mapeamento da memória virtual para memória física.