COMPUTADOR Adão de Melo Neto 1
Modelo Barramento de Sistema É uma evolução do Modelo de Von Newman Processador = UCP = unidade de controle + unidade lógica aritmética Memória; Barramento (novo elemento): barramento de dados, barramento de endereço e barramento de controle 2
Modelo Barramento de Sistema Barramento de Endereços Transporta os sinais de endereço até a memória. Determinam qual a posição de memória que irá ser lida ou escrita. Observação: A informação dessa posição de memória, que está sendo lida ou escrita transita pelo barramento de dados, que é bidirecional. bidirecional unidirecional 3
Modelo Barramento de Sistema Barramento de Controle Indica qual a operação que vai ser realizada: leitura ou escrita, na maior parte dos casos Possui também sinais para A arbitragem do barramento a ser utilizado e Para determinar quem vai utilizar o barramento naquele momento, que pode ser tanto a UCP como a unidade de entrada/saída. 4
Modelo Barramento de Sistema
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO São funções da CPU, executar as instruções e controlar as operações no computador. Um programa, para ser executado pelo processador, deve ser constituído de uma série de instruções de máquina armazenadas em células sucessivas da MP. O ciclo de instrução da CPU consiste em: 1. Buscar uma instrução na memória (operação de leitura), uma de cada vez; 2. Interpretar que operação a instrução está explicitando. 3. Buscar os dados onde estiverem armazenados, para trazê-los até a CPU; 4. Executar efetivamente a operação com os dados, guardar o resultado (se houver algum) no local definido na instrução; e 5. Reiniciar o processo buscando uma nova instrução. 6
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO Este ciclo de instrução se repete indefinidamente até que o sistema seja desligado, ou ocorra algum tipo de erro, ou seja, encontrada uma instrução de parada. As atividades realizadas pela UCP são divididas em duas grandes categorias : função processamento e função controle. 7
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (UCP) ou PROCESSADOR FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO 8
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP 9
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP O dispositivo principal desta área de atividade de uma CPU é chamado ULA(Unidade Lógica e Aritmética). Os demais componentes são os registradores, que servem para armazenar dados (ou para guardar resultados) a ser usados pela ULA. A interligação entre estes componentes é efetuada pelo barramento interno da CPU. ULA É o dispositivo que realmente executa as operações matemáticas com os dados. Tais operações podem ser: Tais operações podem utilizar dois valores (operações aritméticas e lógicas), por isso a ULA possui duas entradas ou apenas um valor (operações com complemento). A ULA é um aglomerado de circuitos lógicos e componentes eletrônicos simples que, integrados, realizam as operações já mencionadas. 10
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP ULA (UNIDADE LÓGICA ARITMÉTICA) É o dispositivo que realmente executa as operações matemáticas com os dados, que podem ser: Tais operações podem utilizar dois valores (operações aritméticas e lógicas), por isso a ULA possui duas entradas ou apenas um valor (operações com complemento). A ULA é um aglomerado de circuitos lógicos e componentes eletrônicos simples que, integrados, realizam as operações já mencionadas. 11
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FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP Porque existem os REGISTRADORES? Por que um dado deve permanecer mesmo que por um breve instante, armazenado em um registrador (a memória da CPU) para que seja transferido para a ULA e também por que o resultado de uma operação realizada na ULA deve ser armazenado temporariamente, de modo que possa ser reutilizado mais adiante (por outra instrução) ou apenas para ser, em seguida, transferido para a memória. Há sistemas nos quais o registrador acumulador (ACC), além de armazenar dados, serve de elemento de ligação da ULA com os restantes dispositivos da CPU. 13
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FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP Porque existem os REGISTRADORES? A CPU possui sempre outros registradores, com funções específicas ou que funcionam para a área de controle. Entre estes registradores podemos citar o Registrador de Instrução (RI) e o contador de instrução (CI), além do Registrador de Endereço de Memória (REM) e o Registrador de Dados de Memória (RDM). 15
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP INFLIÊNCIA DO TAMANHO DA PALAVRA A capacidade de processamento de uma CPU (a velocidade com que realiza o ciclo de uma instrução) é determinada pelo tamanho da palavra da UCP. Vamos realizar a soma de dois valores, A = 3A25 e B = 172C (com 16 bits cada um). A referida soma será simulada em 2 sistemas de computação: O sistema 1 possui palavras de 8 bit, e memória principal com células de 8 bits cada uma. O sistema 2 possui palavras de 16 bits, e a memória principal com células de 8 bits cada uma. 16
Influência do Tamanho da Palavra (SISTEMA 01) 17
Influência do Tamanho da Palavra (SISTEMA 01) 18
Influência do Tamanho da Palavra (SISTEMA 02) 19
Influência do Tamanho da Palavra (SISTEMA 02) 20
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (UCP) ou PROCESSADOR FUNÇÃO DE CONTROLE 21
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP Em Azul F Em AZUL FUNÇÃO DE CONTROLE
FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP É a parte funcional da CPU que realiza as atividades de: Busca de instrução que será executada, armazenando-a no RI (registrador de instrução) Interpretação das ações a serem desencadeadas com a instrução Geração de sinais de controle para a execução da instrução. Esses sinais de controle são enviados aos diversos componentes do sistema, sejam internos da CPU (como a ULA) ou externos (como a memória ou E/S). 23
FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP Os dispositivos que fazem parte desta área funcional são: Unidade de controle (UC); Decodificador; Registrador de instrução (RI); Contador de Instrução (CI); Relógio (Clock); Registradores de endereço de memória (REM) e de dados da memória (RDM). 24
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP RELÓGIO: É o dispositivo gerador de pulso cuja duração é chamada de ciclo. A quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em um segundo define a freqüência (que define a velocidade na CPU). Um ciclo de relógio ou de máquina (gerado por um cristal de quartzo) é o intervalo de tempo entre o início de um pulso e o início do seguinte. Um ciclo está relacionado com a realização de uma operação elementar durante o ciclo de uma instrução. Uma operação elementar realiza-se em diversos passos no ciclo de instrução e, por essa razão, costuma-se dividir o ciclo em subciclos defasados no tempo, de modo que cada um aciona um passo diferente da operação elementar. 26
FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP UNIDADE DE CONTROLE: Tem como função executar a instrução armazenada no RI através de sinais de controle que emite em instantes de tempo programados (subciclos). Esses sinais de controle são enviados aos diversos componentes do sistema, sejam internos da CPU (como a ULA) ou externos (como a memória ou E/S) Os sinais de controle emitidos ocorrem em vários instantes durante o período de realização de um ciclo de instrução são cadenciados de acordo tem como origem o gerador de sinais conhecido como relógio 27
FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP DECODIFICADOR DE INSTRUÇÃO Dispositivo utilizado para identificar as operações a serem realizadas (oeprações que estão correlacionadas à instrução em execução) acionando uma entrada específica da UC, que por sua vez saberá que sinais devem ser emitidos. Cada instrução é uma ordem para que a CPU realize uma determinada operação. Como são muitas instrução, é necessário que cada uma possua uma identificação própria e única. A unidade de controle está, por sua vez, preparada para sinalizar adequadamente aos diversos dispositivos da CPU, conforme ela tenha identificado a instrução a ser executada. 28
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP REGISTRADOR DE INSTRUÇÃO (RI): Tem a função específica de armazenar a instrução a ser executada pela UCP. Ao se iniciar um ciclo de instrução, a UC emite o sinal de controle que acarretará a realização de um ciclo de leitura para buscar a instrução na memória (uma cópia dela), e que, via barramento de dados e RDM, será armazenado no RI. CONTADOR DE INSTRUÇÃO (CI): É o registrador cuja função específica é armazenar o endereço da próxima instrução a ser executada. Tão logo a instrução que vai ser executada seja buscada (lida) da memória para a CPU (início do ciclo de instrução), o sistema providencia a modificação do conteúdo do CI de modo que ele passe a armazenar o endereço da próxima instrução na seqüência 30
FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP RDM e REM: São os registradores utilizados pela CPU e memória para comunicação e transferência de informação. RDM Possui um tamanho igual ao da palavra e do barramento de dados. REM Possui um tamanho igual ao dos endereços da memória (conseqüentemente, do barramento de endereço). 31
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