CPU: Registradores e Memória Cache

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Instituto Superior de Comunicação e Imagem de Moçambique
INTRODUÇÃO À INFORMÁTICA E HARDWARE
1º Ano | Pós-Laboral
Tema: CPU (Unidade Central de Processamento)
Discentes:
● Elzo Guambe (Multimédia)
● Lucas Chauque (Informática de Sistemas)
● Vicente Mabuiangue Júnior (Multimédia)
Docente:
Belmiro Botão
Maputo, Maio de 2024
ELZO GUAMBE
LUCAS CHAUQUE
VICENTE MABUIANGUE JUNIOR
CPU (Unidade Central de Processamento)
Registradores e Memória Cache
Trabalho de investigação científica na disciplina de
Introdução a Informática e Hardware a ser
apresentado no Instituto de Superior de
Comunicação e Imagem de Moçambique como
parte dos requisitos para obtenção de notas
académicas e conhecimento a ser adquirido.
Docente: Dr. Belmiro Botão
Maputo, Maio de 2024
Introdução
O presente trabalho é sobre CPU (Unidade Central de Processamento), “o cérebro” do
computador, responsável pelo controle do computador além das operações aritméticas, mais
concretamente sobre os registradores e a memória cache.
Os objectivos do trabalho é conhecer o conceito, funções, o processamento e o funcionamento
da CPU, Registradores e Memória Cache em um computador.
O trabalho está organizado pelos tópicos focais, que serão abordados sucessivamente
começando com a CPU, de seguida Registradores, Memória Cache e um pouco sobre o
mapeamento.
Objectivos Geral
Conhecer conceitos básicos da CPU, verificar qual relação existente entre registradores e
memória cache com a CPU, diferenciar os tipos de memórias, entender como os registradores e
memória cache funcionam, conhecer a estrutura de processamento.
Objectivos Específico
Explicar a utilidade das memórias cache e registradores no computador, saber a capacidade e os
tipos de memórias, explicar a estrutura de processamento, definir a função dos registradores;
identificar a função dos dispositivos.
CPU
Central Processing Unit (CPU), ou Unidade Central de Processamento (UCP) é o módulo
principal de uma arquitectura de computador. Ela é responsável por realizar o controle do
sistema de computador, além de executar funções de cálculo aritmético.
O controle do sistema é realizado através da execução de um programa, isto é, uma sequência
de comandos previamente definidos necessários para realizar um processamento. Desde os
primeiros computadores sempre houve uma CPU, implementada em um gabinete ou placa. Mas
actualmente, quando falamos em CPU, geralmente estamos nos referindo ao circuito integrado
que realiza todas essas funções – o microprocessador.
A CPU tem como função principal integrar todo o sistema do computador, isto é, realiza o
controle de funcionamento de todas as unidades funcionais e é responsável pelo controle da
execução de todos os programas do sistema.O funcionamento fundamental da Unidade Central
de Processamento (UCP), não obstante o formato físico e arquitetura, é executar uma sequência
de instruções armazenadas chamada programa. O programa é representado por uma série de
números que são mantidos em algum tipo de memória no computador
Estrutura geral e componentes da CPU
● Registradores: armazenam temporariamente dados e instruções.
● Unidade Lógica e Aritmética (ULA): “processa” os dados e actualiza os registadores
● Unidade de Controle (UC): “dispara” cada uma das etapas de execução da instrução.
Exemplo de hierarquia de memória simples:
REGISTADORES
O Registrador de uma CPU é um tipo de memória rápida e com pequena capacidade construída
dentro da CPU e utilizada para o armazenamento temporário de dados no processamento. Pelo
facto de estarem próximos da Unidade Lógica e Aritmética e de serem construídas com circuitos
de memória muito rápidos possibilita o maior desempenho no processamento. Os registradores
ficam no topo da hierarquia de memória, por isso é a forma mais rápida e cara de se armazenar
um dado. Os registradores são utilizados na execução de programas de computadores para
disponibilizar um local para armazenar dados temporários.
Na maioria dos computadores modernos, o processador copia as informações (dados),
guardados na memória externa, para um registrador. As instruções que realizam algum cálculo
numérico ou de controle utilizam esses dados, lidos em maior velocidade, são executadas pelo
processador e, finalmente, os resultados da operação são movidos de volta para a memória
principal.
Podemos classificar os registradores em duas categorias:
❖ Registradores visíveis aos usuários
❖ Registradores de controle e estado
Registradores visíveis ao usuário: podem ser referenciados pela linguagem de máquina
que a CPU executa. Podem ser categorizados em:
o de uso geral
o de dados
o de endereços
o de códigos de condições
● Registradores de uso geral: podem ser usados para guardar qualquer operando: uso
em conjuntos de instruções ortogonais à operação. Normalmente há restrições, por
exemplo, registradores dedicados para pontos flutuantes (números reais em sistemas
computacionais) e operações de pilha (remoção de elementos e inserção de novos
objectos).
● Registradores de dados: utilizados para armazenar valores numéricos ou caracteres.
Em algumas CPUs existe um registrador de dados especial, chamado acumulador, que
recebe o dado de operações aritméticas e é utilizado implicitamente em muitas
operações. O acumulador é usado sempre como um operando de qualquer operação e
onde as funções de comparação podem ser realizadas (ele implementa funções de
comparação). As CPUs mais actuais dispõem de vários registradores com as funções de
acumulador, portanto não necessita de mover dados para um registrador específico.
● Registradores de endereço: são registradores que recebem o endereço de um objecto.
O principal registrador de endereço é o PC ou o indicador de endereço da instrução em
execução. Outro tipo de informação são os "ponteiros" (variáveis contendo o endereço)
que apontam para um determinado dado na memória.
● Registradores de códigos de condição: bits escritos pela CPU como resultados de
operações: overflow, zero. Podem ser usados em testes de condição.
Em algumas máquinas uma chamada sub-rotina salva automaticamente os registros
visíveis ao usuário. Em outras, o usuário deve incluir instruções específicas no
programa.
Registradores de estado e controle: Uma CPU possui uma variedade de registradores
utilizados para o seu controle de uso. A maior parte destes não é visível ao usuário. Alguns, no
entanto, podem ser visíveis a instruções de máquina executadas no modo de controle ou de
sistema operacional. Quatro registradores são essenciais à execução de instruções:
o PC (Program Counter/Contador do programa)
o IR (Instruction Register/Registrador de instruções)
o MAR (Memory Address Register/Registrador de Endereços de Memória)
o MBR (Memory Buffer Register/Registrador Buffer de Memória)
● PC: Actualizado pela CPU após a busca da instrução. Um desvio ou skip também
actualiza o seu conteúdo.
● IR: a instrução buscada é colocada no registrador de instruções.
● MAR & MBR: Dados e instruções são trocados com a memória via MAR e MBR
a) Registrador de endereços de memória→ registrador que armazena o endereço da
memória principal a ser acessado.
b) Registrador buffer de memória → contém uma palavra de dados para ser escrita
na memória ou a palavra lida mais recente bus de dados.
MEMÓRIA CACHE
Memória cache é uma pequena quantidade de memória rápida colocada entre a CPU e a
memória principal. Eventualmente ela pode ser colocada dentro do chip da CPU.
A ideia é que a memória cache leia um bloco grande da memória principal e sirva à CPU
palavras isoladas para optimizar o desempenho.
O funcionamento de uma memória cache é apresentado a seguir:
a) A CPU solicita uma posição de memória.
b) Verifica se essa posição está na cache.
c) Se está, pega no cache.
d) Senão, requisita o bloco da memória principal.
e) Inclui rótulo para identificar bloco de memória
f) CPU lê a memória desejada.
g) Muito provavelmente a próxima posição solicitada pela CPUdeverá estar no cache.
A escolha do tamanho de uma memória cache não é trivial. Inicialmente quanto maior a
quantidade de memória rápida melhor será o desempenho do computador. Mas a memória
cache são memórias rápidas que tem um custo elevado, então quanto menos memória, menor o
custo do computador.
Se a memória cache for pequena é necessário muitas buscas à memória principal, degradando o
desempenho. Como verificar a existência de uma posição de memória no cache toma tempo, o
sistema pode ficar até mais lento do que sem o uso de cache. Apesar de o desempenho
aumentar com o aumento da memória cache ele não aumenta significativamente a partir de um
certo ponto.
Existem vários tipos de cache, como os seguintes:
● Cache de disco: é uma parte da memória RAM associada a um disco específico, onde
os dados acessados recentemente são armazenados para acelerar o carregamento.
● Cache de rastreamento: semelhante à RAM, esse tipo de cache robusto usado por
supercomputadores é poderoso, mas caro.
● Cache da Web: se encarrega de armazenar os dados de páginas da Web visitadas
recentemente, para acelerar seu carregamento subsequente e economizar largura de
banda. Este tipo de cache, por sua vez, pode funcionar para um único usuário (privado),
vários usuários ao mesmo tempo (compartilhado) ou em conjunto para toda a rede
gerenciada por um servidor (gateway).
A memória cache é uma memória pequena e rápida que se interpõe entre a CPU e a memória
principal para que esta funcione mais rapidamente. A memória cache é uma pequena memória
rápida que se interpõe entre a CPU e a memória principal para permitir que esta funcione mais
rapidamente. Para isso, é necessário manter na cache as áreas da memória principal que têm
maior probabilidade de serem referenciadas. Isso é possível graças à propriedade de localidade
de referência dos programas.
Localidade de referência: temporal e espacial
Os programas manifestam uma propriedade que é explorada na concepção do sistema de
gestão da memória dos computadores em geral e da memória cache em particular, a localidade
de referência.
Na concepção do sistema de gestão da memória dos computadores em geral e da memória
cache em particular, a localidade das referências: os programas tendem a reutilizar dados e
instruções que foram localidade: os programas tendem a reutilizar dados e instruções que foram
usados recentemente. Uma regra geral que se aplica à maioria dos programas revela que eles
gastam 90% do seu tempo de execução em apenas 10% do seu código. Uma consequência da
localidade de referência é que se pode prever com razoável exatidão as instruções e dados que
o programa irá usar no futuro.
O programa irá utilizar num futuro próximo a partir do conhecimento dos acessos à memória
efectuados no passado recente, feitos no passado recente. A localidade de referência
manifesta-se em duas dimensões: temporal e espacial.
1. Localidade temporal: as palavras de memória recentemente acedidas têm uma
elevada probabilidade de serem novamente acedidas num futuro próximo. A localidade
temporal dos programas é motivada principalmente pela existência de loops.
2. Localidade espacial: as palavras próximas no espaço de memória das palavras
referenciadas recentemente têm uma elevada probabilidade de serem referenciadas
num futuro próximo. É, ou seja, as palavras que estão próximas na memória tendem a
ser referenciadas em conjunto no tempo. A localidade espacial é motivada
principalmente pela linearidade dos programas (sequência linear de instruções) e pelo
acesso a estruturas de dados regulares.
Mapeamento
Um detalhe importante na construção de memória cache é a forma que se mapeia a memória
principal na memória cache. Há menos linhas de memória cache do que número de blocos. É
necessário definir como mapear blocos de memória a linhas da memória cache. A escolha da
função de mapeamento determina como a cache é organizada.
Três tipos/funções de mapeamento: Mapeamento Direto, Mapeamento Associativo, Mapeamento
Associativo por Conjunto.
Mapeamento Directo
O mapeamento directo mapeia cada bloco de memória principal em uma linha da memória cache
exclusiva. O tag apenas indica o bloco da memória. O problema é quando o programa acessa
dois blocos que mapeiam na mesma linha, exigindo a troca frequente do contexto.
Mapeamento Associativo
No mapeamento associativo um bloco de memória principal pode ser mapeado em qualquer
linha da memória cache. A identificação da memória é realizada com o tag e a palavra. O tag
identifica o bloco de memória e é verificado a cada busca de memória. O mecanismo é muito
eficiente, mas o circuito é mais complexo e caro.
Mapeamento Associativo por Conjunto
O mapeamento associativo por conjunto é uma solução intermediária entre memória associativa
e directa. A memória cache é identificada por um tag livre e um conjunto fixo para cada endereço
e cada conjunto contém uma certa quantidade de linhas. Esse mecanismo oferece um bom
compromisso de custo e flexibilidade e é o mais utilizado.
Metodologia
O trabalho ora apresentado é fruto de pesquisa que teve como método fonte de pesquisa
secundária (livros, manuais) e fonte de pesquisa terciária (Bibliografias de bibliografias,
bibliotecas virtuais, resumos online), na medida em que esses métodos eram o que melhor
permitia a aproximação com o objecto estudado. Para obter os resultados e respostas acerca da
problematização apresentada neste trabalho, foi feita a análise de vários textos online quanto em
diferentes idiomas como Português, Espanhol e Inglês.
Conclusão
Neste trabalho abordamos acerca dos registradores e a memória cache, que são componentes
essenciais nos sistemas de computação modernos. Eles desempenham papéis cruciais na
optimização do desempenho e na eficiência do processamento de dados.
Cumprimos somente alguns objectivos propostos devido a falta de alguns materiais
digitais/online no nosso idioma.
Este trabalho foi importante para nossa compreensão destes temas, visto que permitiu-nos focar,
seleccionar e organizar as informações no tema que nos foi proposto.
Referências
DAUTO, N. & MPFUMO, R. B. Arquitectura e Tecnologia de Computadores - ISUTC, 2020
FERNANDEZ, M. P. Computação Arquitetura de Computadores. 3ª Ed. Editora: UECE, 2015.
FERREIRA, J. C. Memórias Cache: Uma Introdução, 2006
HENNESSY, J. L. & PATTERSON, D. A. Arquitetura de Computadores: Uma Abordagem
Quantitativa 3ª Ed. Editora: Campus, 2003.
SONG, S. W. MAC0344 - Arquitetura de Computadores
STALLINGS, W. Arquitetura e Organização de Computadores 5ª Ed. Editora: Prentice Hall, 2002.