Disciplina Arquitetura (Cap 5 - Processador)

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Disciplina: Arquitetura 
de Computadores 
Profa. Carla Katarina de Monteiro Marques 
UERN 
Estrutura e Funcionamento da CPU 
Introdução 
 Responsável por: 
Processamento e execução de programas 
armazenados na memória principal; 
Realização de qualquer operação realizada 
por um computador; 
Emissão de sinais de controle para os demais 
componentes realizarem suas tarefas. 
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Ciclo de Instrução Básico 
 Processador executa instruções 
CPU (central processing unit) 
UCP (unidade central de processamento) 
 
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Ciclo de Instrução Básico 
Organização da CPU 
 CPU é dividida em: 
ULA (Unidade Lógica e Aritmética); 
UC (Unidade de Controle). 
 
 Possui um barramento interno para 
transferir dados entre os registradores e a 
ULA. 
Organização da CPU 
Unidade de Controle (UC) 
 Funções: 
Realizar o controle das operações no 
computador; 
Gerenciar todos os recursos através da 
emissão de sinais de controle; 
Responsável pela busca, interpretação e 
controle das instruções. 
Função Controle 
 Dispositivos participantes: 
Registrador de Instrução – RI 
 Armazena a instrução a ser executada pela CPU. 
Contador de Instrução – CI 
 Armazena o endereço da próxima instrução a ser 
executada. 
Decodificador de Instrução 
 Identifica a instrução que será realizada (cujo 
código de operação foi decodificado). 
Função Controle 
 (Cont.) 
Registrador de Dados de Memória – RDM 
 Armazena os dados na CPU por um curto período. 
Registrador de Endereços de Memória – REM 
 Armazena o endereço a ser acessado na memória 
por um curto período. 
Função Controle 
 (Cont.) 
Relógio: 
 Dispositivo gerador de pulsos cuja duração é 
chamada de ciclo; 
 Frequência: Número de vezes de repetição deste 
pulso em um segundo 
 Usamos para definir velocidade (desempenho) da CPU. 
 A unidade de medida utilizada para a freqüência 
dos relógios da CPU é o hertz (Hz) – 1 ciclo por 
segundo. 
Unidade Lógica e Aritmética 
(ULA) 
 Funções: 
Executar (literalmente) as instruções; 
Realizar as operações lógicas e aritméticas. 
Função Processamento 
 Consiste na ação de manipular dados de 
modo a produzir um resultado útil; 
 Dispositivos envolvidos: 
ULA - Unidade Lógica e Aritmética; 
Registradores. 
 A interligação entre esses componentes 
ocorrem pelos barramentos internos da 
CPU. 
Registradores 
 CPU deve ter armazenamento temporário 
para trabalhar (registradores); 
 O número de registradores em um 
computador depende do modelo; 
 Número e função de registradores variam 
entre tipos de processadores; 
 É uma das maiores decisões de projeto. 
Registradores 
 Registradores da CPU têm duas funções: 
Visíveis ao usuário: 
 Permite ao programador minimizar referências à 
memória. 
Controle e estado: 
 UC controla a operação da CPU; 
 Programas privilegiados do SO controlam a 
operação de outros programas. 
Registradores Visíveis ao Usuário 
 Pode ser referenciado pela linguagem de 
máquina que a CPU executa; 
 Classificação: 
Propósito Geral; 
Dados; 
Endereços; 
Códigos de Condição. 
Registradores de Propósito Geral 
 Pode ser usado para operandos (restrições para 
pontos flutuantes/pilha); 
 Pode ser usado para dados ou endereçamento; 
 Dados 
 Acumulador; 
 Endereçamento 
 Segmento, índices, topo da pilha. 
Registradores de Propósito Geral 
 Quando de propósito geral: 
Aumenta flexibilidade e opções de 
programador; 
Aumenta tamanho da instrução e 
complexidade; 
 Quando especializados: 
 Instruções menores (mais rápidas); 
Menos flexibilidade. 
Quantos Registradores PGeral? 
 Poucos = mais referências à memória; 
 Número muito grande = não reduz muito 
as referências à memória. 
Que tamanho? 
 Grande o bastante para conter endereços 
completos ou uma palavra completa; 
 Possível combinar dois registradores de 
dados: 
 Programação C; 
double int a; 
 long int a; 
Registradores de Códigos de 
Condição (flags) 
 Resultados de operações; 
 Podem ser usados para testes de desvio 
condicional; 
 Ex: resultado da última operação foi zero. 
 Pode ser lido (implicitamente) por programas 
 Ex: Salte (Jump) se zero. 
 Não pode ser alterado (usualmente) por 
programas (só pelo hardware da CPU). 
Registradores Controle & 
Estado 
 Contador de programa (PC); 
 Registrador de instruções (IR); 
 Registrador de endereçamento à memória 
(REM); 
 Registrador de armazenamento 
temporário de dados (RDM). 
Palavra de estado de programa 
 Registrador (ou conjunto de registradores); 
 Conjunto de bits que incluem códigos de 
condição: 
 Sinal: contém o sinal da última operação aritmética 
realizada pelo processador; 
 Overflow: quando setado (=1) indica que a última 
operação aritmética realizada resultou em estouro do 
valor (um erro); 
 Zero: quando setado (=1) indica que a última 
operação aritmética realizada resultou no valor zero. 
Palavra de estado de programa 
 (Cont.) 
 „Vai 1‟ (carry): indica que ocorreu “vai 1” para 
o bit mais a esquerda na última operação de 
soma realizada; 
 Igual; 
Habilitar/Desabilitar interrupção; 
Supervisor. 
Exemplos de Organizações de 
Registradores 
A Influência do Tamanho da 
Palavra 
 A capacidade de processamento de uma 
UCP (a velocidade com que realiza o ciclo 
de uma instrução) é em grande parte 
determinada pelas facilidades embutidas 
no hardware da ULA para realizar as 
operações matemáticas projetadas. 
A Influência do Tamanho da 
Palavra 
 O valor do tamanho da palavra escolhido no 
projeto de fabricação da UCP determinará o 
tamanho dos elementos ligados à área de 
processamento, entre estes a ULA. 
 Um tamanho maior ou menor de palavra (e, por 
conseguinte, da ULA, dos registradores de 
dados, do barramento interno) acarreta 
diferenças fundamentais de desempenho da 
UCP. 
A Influência do Tamanho da 
Palavra 
 O sistema 1 possui palavras de 8 bit, e a 
memória principal tem 64K células de 8 bits 
cada uma, conforme mostrado na Figura 5.10. 
 O sistema 2 possui palavras de 16 bits, e a 
memória principal possui um espaço de 
endereçamento de 1M células, todas também 
com 8 bits cada uma, conforme mostrado na 
Figura 5.11. 
A Influência do Tamanho da 
Palavra 
 Exemplo: Vamos realizar a soma de dois 
valores, A = 3A25 e B = 172C, ambos 
números inteiros, sem sinal, com 16 bits 
de tamanho cada um. A referida soma 
será simulada em 2 sistemas de 
computação, sistema 1 e sistema 2. 
A Influência do Tamanho da 
Palavra 
 O sistema 1 possui palavras de 8 bit, e a 
memória principal tem 64K células de 8 
bits cada uma, conforme mostrado na 
Figura abaixo: 
A Influência do Tamanho da 
Palavra 
 O sistema 2 possui palavras de 16 bits, e a 
memória principal possui um espaço de 
endereçamento de 1M células, todas também 
com 8 bits cada uma, conforme mostrado na 
Figura abaixo: 
 A unidade de processamento, a palavra, é diferente nos 
dois sistemas, sendo a do sistema 2 o dobro do 
tamanho da do sistema 1, enquanto a unidade de 
armazenamento de ambos os sistemas tem o mesmo 
valor, 8bits; 
 Ainda nos processadores atuais a unidade de 
armazenamento continua sendo o byte, isto é, as células 
são organizadas de modo a cada uma armazenar um 
byte; 
 Já o tamanho da palavra vem evoluindo 
sistematicamente. 
Operação de soma no sistema 1 
1. A operação é realizada emduas etapas lógicas porque cada 
valor tem 16 bits e a CPU (ULA, registrador ACC e barramento de 
dados) só permite armazenar, processar e transferir dados com 8 
bits de tamanho; 
2. Na primeira etapa é transferida para a ULA, via ACC e 
barramento de dados, a 1ª metade de cada número (25 para o 
número A e 2C para o número B) e eles são somados; 
3. Na segunda etapa a operação é realizada de forma idêntica, 
exceto para a 2ª parte dos valores (3ª para o número A e 17 para 
o número B). 
Operação de soma no sistema 2 
1. A operação é realizada em uma única etapa lógicas porque a 
CPU é fabricada para operar valores de 16 bits de tamanho, 
mesmo tamanho dos números. Desse modo os números não 
precisam ser divididos.