Arquitetura de Computadores - Ateneu - Aula 08

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Unidade Central de Processamento
Instruções (Formato Geral):
OPCODE - identifica a operação a ser realizada pelo processador. É o campo da instrução cujo valor binário identifica a operação a ser realizada. Este código é a entrada do decodificador de instruções na unidade de controle;
Código de operação (OPCODE) 
Operando(s) (OP) 
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Unidade Central de Processamento
Instruções (Formato Geral):
OP - é ou são o(s) campo(s) da instrução cujo valor binário sinaliza a localização do dado (ou é o próprio dado) que será manipulado (processado) pela instrução durante a operação.
Em geral, um operando identifica o endereço de memória onde está contido o dado que será manipulado, ou pode conter o endereço onde o resultado da operação será armazenado. 
Finalmente, um operando pode também indicar um Registrador (que conterá o dado propriamente dito ou um endereço de memória onde está armazenado o dado). Os operandos fornecem os dados da instrução.
Existem instruções que não tem operando. Ex.: Instrução HALT (PARE).
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Unidade Central de Processamento
Conjunto de Instruções
Quando se projeta um hardware, define-se o seu conjunto ("set") de instruções - o conjunto de instruções elementares que o hardware é capaz de executar. O projeto de um processador é centrado no seu conjunto ("set") de instruções. Quanto menor e mais simples for este conjunto de instruções, mais rápido pode ser o ciclo de tempo do processador.
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Um processador precisa possuir instruções para:
operações matemáticas:
aritméticas: +, - , × , ÷ ...;
lógicas: and, or, xor, ...;
de complemento;
de deslocamento.
operações de movimentação de dados: 
 (memória <--> UCP, reg <--> reg);
operações de entrada e saída (R/W em dispositivos de E/S);
operações de controle (desvio de seqüência de execução, parada).
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Processadores CISC e RISC:
Uma CPU em relação ao número de instruções de processamento que pode reconhecer, classifica-se em:
CISC - Complex Instruction Set Computer. Exemplo: PC, Macintosh; um conjunto de instruções maior e mais complexo, implicando num processador mais complexo, com ciclo de processamento mais lento; ou
RISC - Reduced Instruction Set Computer. Exemplo: Power PC, Alpha, Sparc; um conjunto de instruções menor e mais simples, implicando num processador mais simples, com ciclo de processamento rápido.
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CISC:
Um processador CISC reconhece mais de uma centena de instruções;
Graças a isso pode executar, de modo direto, a maioria das operações programadas pelos modernos softwares;
Os microprocessadores são em sua maioria, chips CISC; 
Quanto maior a quantidade de instruções que um microprocessador é capaz de identificar, mais lenta é a execução de cada uma delas.
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RISC:
Um processador RISC reconhece um número limitado de instruções, que em contrapartida, são otimizadas para que sejam executadas com mais rapidez.
Portanto, a arquitetura RISC reduz o conjunto de instruções ao mínimo indispensável:
As instruções não contempladas são executadas como combinações das existentes;
Com isso, consegue-se desempenho até 50% a 75% superior à de um processador CISC.
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RISC:
Para definir o conjunto de instruções de um computador RISC, os projetistas usam a seguinte regra de ouro: 
Analisar aplicações para identificar operações-chave; 
Projetar o processador que seja eficiente para essas operações; 
Projetar instruções que realizam as operações-chave; 
Acrescentar mais instruções necessárias, cuidando para não afetar a velocidade da máquina. 
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RISC:
Filosofia da arquitetura RISC: transferir complexidade das operações para software, mantendo em hardware apenas as operações primitiva;
Ao contrário dos complexos CISC, os processadores RISC são capazes de executar apenas algumas poucas instruções simples. Justamente por isso, os chips baseados nesta arquitetura são mais simples e muito mais baratos;
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Unidade Central de Processamento
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Unidade Central de Processamento
O projeto de um processador poderia ser resumido em:
Definir o conjunto de instruções (todas as possíveis instruções que o processador poderá executar):
Definir formato e tamanho das instruções;
Definir as operações elementares.
Projetar os componentes do processador (UAL, UC, registradores, barramentos, ...)
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Duas estratégias são possíveis na construção do decodificador de instruções da UC:
wired logic - as instruções são todas implementadas em circuito;
Microcódigo - apenas um grupo básico de instruções são implementadas em circuitos; as demais são “montadas” através de microprogramas que usam as instruções básicas.
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Ciclo de Instruções
As instruções são executadas seqüencialmente uma a uma. (a não ser pela ocorrência de um desvio).
O CI indica a seqüência de execução, isto é, o CI controla o fluxo de execução das instruções.
Descrição do processamento de uma instrução na UCP:
a UC lê o endereço da próxima instrução no CI;
a UC transfere o endereço da próxima instrução, através do barramento interno, para o REM.
INICIO
TÉRMINO
Buscar próxima
Instrução
Interpretar a
Instrução
Buscar os Dados
Executar a
Instrução
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Barramentos
Os componentes dos computadores se comunicam através de barramentos; 
Barramento é um conjunto de condutores elétricos que interligam os componentes do computador e de circuitos eletrônicos que controlam o fluxo dos bits;
O barramento é uma via de tráfego interna, através da qual os sistemas transitam entre os diversos componentes do computador.
Também chamado de bus.
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Barramentos
Para um dado ser transportado de um componente a outro, é preciso emitir os sinais de controle necessários para o componente-origem colocar o dado no barramento e para o componente-destino ler o dado do barramento. Como um dado é composto por bits (geralmente um ou mais bytes) o barramento deverá ter tantas linhas condutoras quanto forem os bits a serem transportados de cada vez.
Os microcomputadores tem três tipos de barramentos:
o barramento de dados e o barramento de endereços ligam a CPU com memória;
o barramento de expansão liga CPU e memória com o mundo exterior.
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Barramentos
Chama-se slot um soquete projetado para receber placas de expansão e conectá-las ao barramento de expansão do sistema.
Principais barramentos dos PC’s:
ISA;
AGP;
PCI;
PCI Express;
AMR.
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Barramentos (ISA - Industry Standard Architecture)
É um padrão não mais utilizado, sendo encontrado apenas em computadores antigos;
Slots e placas grandes (conforme figura abaixo)
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Barramentos (PCI - Peripheral Component Interconnect)
Surgiu no início de 1990 pelas mãos da Intel
Principais características:
Transferência de dados a 32 bits;
Clock de 33Mhz;
Transmissão de dados de até 132 MB por segundo;
Recurso BUS Mastering;
Ler e Gravar dados direto na memória RAM;
Recurso “Plug and Play”;
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Barramentos (AGP - Accelerated Graphics Port )
Padrão AGP criado em 1996, serve exclusivamente a placas de vídeo. 
A primeira versão do AGP (chamada de AGP 1.0) trabalha a 32 bits e tem clock de 66 MHz, o que equivale a uma taxa de transferência de dados de até 266 MB por segundo, mas na verdade, pode chegar ao valor de 532 MB por segundo.
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Barramentos (AMR, CNR e ACR)
Os padrões AMR (Audio Modem Riser), CNR (Communications and Network Riser) ACR (AdvancedCommunications Riser) são diferentes entre si, mas compartilham da idéia de permitir a conexão à placa-mãe de dispositivos cujo controle é feito pelo processador do computador.
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Registradores Utilizados
A comunicação entre MP e UCP usa dois registradores da UCP:
Registrador de Endereços de Memória - REM ou, em inglês, Memory Address Register (MAR); 
Registrador de Dados da Memória - RDM ou, em inglês, Memory Buffer Register (MBR).
Barramentos UCP / MP:
Barramento de endereços – unidirecional (só a UCP envia dados - write - ou lê dados - read - da MP);
Barramento de dados – bidirecional;
Barramento de controle – bidirecional:
UCP ---> MP (controles ... - r/w)
MP -----> UCP (wait ... )
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Unidade Central de Processamento
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Palavra
Palavra é a unidade de informação do sistema UCP / MP.
A conceituação mais usada (IBM, Digital) define palavra como sendo a capacidade de manipulação de bits do núcleo do computador (UCP e MP). 
Pressupõe-se aqui que todos os elementos do núcleo do computador (o que inclui o tamanho da UAL, do acumulador e registradores gerais da UCP e o barramento de dados) tenham a mesma largura (processem simultaneamente o mesmo número de bits), o que nem sempre acontece. 
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Palavra
Muitas vezes encontram-se computadores em que o tamanho da UAL e do acumulador (e registradores gerais) não é o mesmo tamanho dos barramentos. Desta forma, encontram-se especificações de "computadores de 64 bits" mesmo quando seu barramento de dados é de 32 bits, nesse caso referindo-se exclusivamente à capacidade de manipulação da UCP de 64 bits (isto é, sua UAL e acumulador tem 64 bits). 
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Tempo de Acesso
Tempo de acesso - tempo decorrido entre uma requisição de leitura de uma posição de memória e o instante em que a informação requerida está disponível para utilização pela UCP. 
As memórias DRAM (Dynamic RAM ) - tempo de acesso - 60 ns.
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Tempo de Acesso
Tempo de ciclo - tempo decorrido entre dois ciclos sucessivos de acesso à memória. As memórias dinâmicas perdem seu conteúdo em alguns instantes e dependem de ser periodicamente atualizadas (refresh). No caso das SRAM (Static RAM ou memórias estáticas), que não dependem de "refresh", o tempo de ciclo é igual ao tempo de acesso. As memórias dinâmicas, no entanto, requerem ciclos periódicos de "refresh", o que faz com que a memória fique indisponível para novas transferências, a intervalos regulares necessários para os ciclos de "refresh". Assim, as memórias DRAM tem ciclo de memória maior que o tempo de acesso.
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Acesso a Memória Principal
O acesso à MP é ALEATÓRIO, portanto qualquer que seja o endereço (a posição) de memória que se queira acessar, o tempo de acesso é o mesmo (constante).
A MP pode ser acessada através de duas operações:
1 - LEITURA: LER da MEMÓRIA
Significa requisitar à MP o conteúdo de uma determinada célula (recuperar uma informação). Esta operação de recuperação da informação armazenada na MP consiste na transferência de um conjunto de bits (cópia) da MP para a UCP e é não destrutiva, isto é, o conteúdo da célula não é alterado. 
Sentido: da MP para a UCP
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Unidade Central de Processamento
Acesso a Memória Principal
2 - ESCRITA: ESCREVER na MEMÓRIA
Significa escrever uma informação em uma célula da MP (armazenar uma informação). Esta operação de armazenamento da informação na MP consiste na transferência de um conjunto de bits da UCP para a MP e é destrutiva (isto significa que qualquer informação que estiver gravada naquela célula será sobregravada).
Sentido: da UCP para a MP
Passos a serem executados
A UCP armazena no REM o endereço onde a informação requerida está armazenada;
A UCP comanda uma leitura;
O conteúdo da posição identificada pelo endereço contido no REM é transferido para o RDM e fica disponível para a UCP.
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Memórias Internas (RAM e ROM)
DRAM (RAM Dinâmica)
Memórias desse tipo possuem capacidade alta, isto é, podem comportar grandes quantidades de dados.
No entanto, o acesso a essas informações costuma ser mais lento que o acesso às memórias estáticas.
Esse tipo também costuma ter preço bem menor quando comparado ao tipo estático;
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Memórias Internas (RAM e ROM)
SRAM (RAM Estática)
Esse tipo é muito mais rápido que as memórias DRAM, porém armazena menos dados e possui preço elevado se considerarmos o custo por megabyte.
Memórias SRAM costumam ser utilizadas como cache.
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Unidade Central de Processamento
Memórias Internas não voláteis
ROM
Seu conteúdo é gravado durante a fabricação.
Uma vez fabricada, não pode ser alterada.
PROM
Possui circuitos internos que permitem sua gravação nos centros onde será utilizada;
Uma vez gravada não pode ser alterada.
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Unidade Central de Processamento
Memórias Internas não voláteis
EPROM
Pode ter o conteúdo apagado e regravado através de processo especiais.
O conteúdo da EPROM é removido pela aplicação de luz ultravioleta através de uma janela de vidro existente na sua parte superior.
EEPROM
É similar a EPROM, porém o conteúdo a ser alterado é removido por processos elétricos, através da aplicação de uma tensão em um de seus pinos.
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Unidade Central de Processamento
Memórias Internas não voláteis
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Unidade Central de Processamento
Acesso a Memória Principal
Passos a serem executados
A UCP armazena no REM o endereço onde a informação requerida está armazenada;
A UCP comanda uma leitura;
O conteúdo da posição identificada pelo endereço contido no REM é transferido para o RDM e fica disponível para a UCP.
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Sincronização de Operação do Sistema
Imagine um barco a remo em uma competição, em que a plena velocidade e direção somente é atingida porque todos os remadores fazem seus movimentos de forma coordenada, regidos por um "patrão" - geralmente o timoneiro que indica o ritmo das remadas.
As diversas partes de um computador comportam-se aproximadamente desta forma: instruções e dados, após sofrerem algum processamento em um determinado componente, devem trafegar para o próximo estágio de processamento (através de condutores - um barramento ou um cabo), de forma a estarem lá a tempo de serem processados. 
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Unidade Central de Processamento
Sincronização de Operação do Sistema
O computador envia a todos os seus componentes um sinal elétrico regular - o pulso de "clock" – que fornece uma referência de tempo para todas as atividades e permite o sincronismo das operações internas. 
O pulso de clock indica que um ciclo (um "estado") terminou, significando que o processamento deste ciclo está terminado e um outro ciclo se inicia, determinando a alguns circuitos que iniciem a transferência dos dados nele contidos (abrindo a porta lógica para os próximos estágios) e a outros que recebam os dados e executem seu processamento.
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Unidade Central de Processamento
Clock
Clock é um circuito oscilador que tem a função de:
Sincronizar e ditar a medida de velocidade de transferência de dados entre duas partes essenciais de um processamento
Clock = medida de freqüência com que as operações são realizadas (ciclos por segundo);
Existe portanto duas questões importantes:
Existe a freqüência própria de um microprocessador (operações internas a ele);
Freqüência do computador a ele associado (basicamente ciclos CPU – memória RAM).
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