Arq Computadores Modernos - 09 - Processadores

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<p>ARQUITETURA DE COMPUTADORES</p><p>MODERNOS</p><p>Prof. Arthur</p><p>arthur.battaglia@docente.unip.br</p><p>2024/1</p><p>Ciência da Computação</p><p>PROCESSADORES</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>ESTRUTURA BÁSICA DE UM PROCESSADOR</p><p>..</p><p>..</p><p>...</p><p>...</p><p>.</p><p>..</p><p>..</p><p>...</p><p>...</p><p>.</p><p>..</p><p>...</p><p>...</p><p>...</p><p>..</p><p>...</p><p>..</p><p>...</p><p>.</p><p>A ULA é a parte do computador que realmente realiza</p><p>operações lógicas e aritméticas sobre os dados.</p><p>Todos os outros elementos do sistema de computação</p><p>(unidade de controle, registradores, memória, E/S) existem</p><p>sobretudo com o objetivo de trazer dados para a ULA</p><p>processar, e depois levar os resultados de volta.</p><p>Uma ULA e, na realidade, todos os componentes eletrônicos</p><p>no computador, são baseados no uso de dispositivos lógicos</p><p>digitais simples, que podem armazenar dígitos binários e</p><p>realizar operações lógicas booleanas simples.</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA (ULA)</p><p>Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA (ULA)</p><p>• Realiza as operações lógicas (“and”, “or”, “nor”, etc.)</p><p>• Realiza as operações aritméticas</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>ORGANIZAÇÃO DO PROCESSADOR</p><p>Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings</p><p>Para entender a organização do processador, vamos considerar</p><p>os requisitos necessários:</p><p>1. Busca da instrução: o processador lê uma instrução da</p><p>memória (registrador, cache, memória principal).</p><p>2. Interpretação da instrução: a instrução é decodificada para</p><p>determinar qual ação é necessária.</p><p>3. Busca dos dados: a execução de uma instrução pode</p><p>necessitar a leitura de dados da memória ou de um módulo de</p><p>E/S.</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>ORGANIZAÇÃO DO PROCESSADOR</p><p>Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings</p><p>4. Processamento dos dados: a execução de uma instrução</p><p>pode necessitar efetuar alguma operação aritmética ou lógica</p><p>com os dados.</p><p>5. Escrita dos dados: os resultados de uma execução podem</p><p>necessitar escrever dados para a memória ou para um módulo</p><p>de E/S.</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>ORGANIZAÇÃO DO PROCESSADOR</p><p>Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings</p><p>Para executar essas tarefas o processador precisa armazenar</p><p>alguns dados temporariamente.</p><p>Ele deve lembrar a posição da última instrução executada para</p><p>que possa saber onde buscar a próxima instrução a ser</p><p>executada. Por essa razão, ele precisa armazenar instruções e</p><p>dados temporariamente enquanto uma instrução está sendo</p><p>executada. Ou seja, o processador precisa de uma pequena</p><p>memória interna.</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>ORGANIZAÇÃO DO PROCESSADOR</p><p>Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings</p><p>A unidade de controle controla a movimentação de dados e</p><p>das instruções que entram e saem do processador e controla a</p><p>operação da ULA. A figura anterior mostra uma memória</p><p>interna pequena que consiste em um conjunto de locais de</p><p>armazenamento chamados de registradores.</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>ORGANIZAÇÃO DO PROCESSADOR</p><p>Registradores</p><p>• São memórias de pequena capacidade de armazenamento,</p><p>porém de alta velocidade de acesso.</p><p>• Armazenam resultados temporários, e de controle,</p><p>necessários à UC.</p><p>• Há dois tipos de Registradores:</p><p> Gerais</p><p> Específicos</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>ORGANIZAÇÃO DO PROCESSADOR</p><p>Registradores</p><p>• Registradores Gerais:</p><p> Funcionam como um rascunho da UC para o</p><p>armazenamento de valores temporários entre uma</p><p>operação e outra.</p><p>• Registradores Específicos:</p><p> Armazenam sempre o mesmo tipo de dado.</p><p>CICLO DA INSTRUÇÃO</p><p>PIPELINE</p><p>Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings</p><p>O pipeline de instruções é semelhante ao uso de uma linha de</p><p>montagem numa planta industrial. Uma linha de montagem</p><p>tira a vantagem do fato de que um produto passa por vários</p><p>estágios da produção. Ao implantar o processo de produção</p><p>em uma linha de montagem, produtos em vários estágios</p><p>podem ser trabalhados simultaneamente. Este processo é</p><p>também chamado de pipeline, porque assim como em uma</p><p>tubulação (em inglês: pipeline), novas entradas são aceitas</p><p>num lado antes que as entradas aceitas anteriormente</p><p>apareçam como saídas do outro lado.</p><p>CICLO DA INSTRUÇÃO</p><p>PIPELINE</p><p>Nesta tipo de arquitetura é utilizado o paralelismo aplicado</p><p>dentro das instruções individuais do processador, de modo a</p><p>conseguir que a máquina execute mais instruções por</p><p>segundo.</p><p>No exemplo a seguir é utilizada a arquitetura Pipeline de 5</p><p>estágios:</p><p>CICLO DA INSTRUÇÃO</p><p>PIPELINE DE 5 ESTÁGIOS</p><p>Caminho de Dados</p><p>CICLO DA INSTRUÇÃO</p><p>PIPELINE DE 5 ESTÁGIOS</p><p>PROCESSADORES</p><p>ARM</p><p>O ARM é, em primeiro lugar, um sistema RISC com as seguintes</p><p>características principais:</p><p>• Um conjunto moderado de registradores uniformes, mais do</p><p>que são encontrados em alguns sistemas CISC, porém menos</p><p>do que encontrados em muitos sistemas RISC.</p><p>• Modelo load/store (carregar/armazenar) de processamento</p><p>de dados, no qual as operações são executadas apenas com os</p><p>operandos nos registradores e não diretamente na memória.</p><p>Todos os dados precisam ser carregados em registradores</p><p>antes que uma operação possa ser efetuada; o resultado</p><p>então pode ser usado para o processamento posterior ou</p><p>armazenado em memória.</p><p>Fonte: Arquitetura e Organização de Computadores – William Stallings</p><p>PROCESSADORES</p><p>ARM</p><p>• Utiliza uma instrução uniforme de tamanho fixo de 32 bits</p><p>para o conjunto padrão e 16 bits para o conjunto de</p><p>instruções Thumb.</p><p>Observação:</p><p>O ARM possui um total de 16 registradores de uso geral de 32</p><p>bits cada. Apesar do último registrador ser utilizado como</p><p>Contador de Programa (CP), ele pode ser manipulado como</p><p>qualquer outro, mas isso causa desvios na execução do código.</p><p>É capaz de utilizar instruções de 16 bits na arquitetura Thumb.</p><p>Fonte: http://sca.unioeste-</p><p>foz.br/~habib/x/trabalhos/grupoa3/public_html/visesquema.html</p><p>PROCESSADORES</p><p>ARM</p><p>Há sistemas embarcados com barramentos de apenas 16 bits,</p><p>assim como há aqueles em que as restrições de memória</p><p>exigem a maior densidade de código possível.</p><p>Para atender a esses tipos de aplicações, parte das instruções</p><p>ARM foi adaptada para ocupar apenas 16 bits, dando origem</p><p>ao conjunto Thumb de instruções. Uma consequência dessa</p><p>redução é a possível necessidade de usar duas instruções para</p><p>realizar um desvio para um endereço de 32 bits.</p><p>Fonte: http://sca.unioeste-</p><p>foz.br/~habib/x/trabalhos/grupoa3/public_html/visesquema.html</p><p>ARQUITETURA DE COMPUTADORES</p><p>MODERNOS</p><p>Prof. Arthur</p><p>arthur.battaglia@docente.unip.br</p><p>2024/1</p><p>Ciência da Computação</p><p>PROCESSADORES</p>