Slides Unidade 2 Organização de Computadores UNIP EAD

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Unidade II
ORGANIZAÇÃO DE 
COMPUTADORESCOMPUTADORES
Prof. Antônio Palmeira
Conteúdo da unidade II
 Entender a organização do computador.
 Conhecer com mais detalhes e clareza a 
função do processador.
 Conhecer as instruções de máquina 
de um processador.de um processador.
 Abordar questões voltadas ao paralelismo.
Organização do computador
 Processador (formado pela unidade 
lógica e aritmética, unidade de controle e 
registradores).
 Entrada/Saída.
 Memória.Memória.
lógica e
Processador
 É o cérebro do computador.
 Também conhecido como CPU 
(Central Processing Unit).
 Utiliza a linguagem de máquina 
(binário 0 e 1).(binário 0 e 1).
 É responsável por executar programas 
que ficam carregados na memória 
principal.
Funções do processador
Busca de instrução na memória:
 O processador lê uma instrução da 
memória (registrador, cache, 
memória principal).
Interpretação da instrução:Interpretação da instrução:
 A instrução é decodificada para 
determinar qual ação é requerida.
Busca de dados:
 A execução de uma instrução pode 
requerer a leitura de dados da 
memória ou módulo de E/S.
Funções do processador
Processamento de dados:
 A execução de uma instrução pode 
requerer efetuar alguma operação 
aritmética ou lógica com os dados.
Escrita de dados:Escrita de dados:
 Os resultados de uma execução podem 
requerer gravar dados para memória 
ou um módulo E/S.
Componentes do processador
Unidade de controle:
 Busca informações na memória 
principal.
Unidade lógica e aritmética:
 Realiza os cálculos e a comparação Realiza os cálculos e a comparação 
entre os valores.
Registradores:
 Compõem uma memória de alta 
velocidade (interna à CPU) utilizada para 
armazenar resultados temporários e 
controlar o fluxo de informações.
Hierarquia das memórias e os 
registradores
 O registrador é o elemento superior no 
nível de hierarquia de memória.
Organização dos registradores
Os registradores do processador 
desempenham dois papéis:
 Registradores visíveis ao usuário
 Possibilitam que o programador de 
linguagem de máquina minimize aslinguagem de máquina minimize as 
referências à memória.
 Registradores de controle e estado
 Usados pela unidade de controle para 
controlar a operação do processador.
Tipos de registradores
Contador de programa:
 Indica a próxima instrução a ser 
executada.
Registrador de instrução:
 Contém a instrução que está sendo Contém a instrução que está sendo 
executada.
Registradores de dados:
 São utilizados para armazenar dados.
Registrador de endereço:g ç
 Recebe o endereço de um determinado 
objeto.
Registradores de entrada 
e saída da ULA
Interatividade
O registrador que indica a próxima 
instrução a ser executada é 
conhecido como:
a) Contador de programa.
b) Registrador de instrução.b) Registrador de instrução.
c) Registrador de dados.
d) Registrador de endereço.
e) Registrador de barramento.
Instruções de máquina
 São os pontos centrais na arquitetura 
de um processador.
 São conjuntos de instruções que 
determinam a operação do processador.
 Elas influenciam as operações realizadasElas influenciam as operações realizadas 
pela unidade lógica e aritmética e 
registradores.
Tipos gerais de instrução
Instruções aritméticas e lógicas:
 Realizam operações aritméticas sobre 
números inteiros (adição e subtração) e 
operações lógicas bit a bit (AND, OR).
Instruções de movimentação de dados:Instruções de movimentação de dados:
 Transferem dados entre registradores 
ou entre registradores e a 
memória principal.
Instruções de transferência de controle:
 Transferem a execução para uma 
determinada instrução dentro do 
código do programa.
Instruções para operações 
especializadas
Várias arquiteturas de processadores 
oferecem outras categorias de instrução, 
voltadas para operações especializadas:
 instruções de ponto flutuante;
 instruções decimais;instruções decimais;
 instruções de manipulação de bits;
 Instruções de manipulação de strings.
Elementos de uma instrução
Código da operação (opcode):
 Especifica a operação a ser realizada.
Referência ao operando fonte:
 Operandos que são entradas 
para a operaçãopara a operação.
Referência ao operando destino:
 Operandos que expressam o resultado.
Referência à próxima instrução:
 Informa onde se deve buscar a Informa onde se deve buscar a 
nova instrução.
Localização dos operandos 
(endereçamento)
Memória principal ou virtual:
 Descoberta a partir do endereço de 
memória designado na instrução.
Registrador do processador:
 Descoberto a partir da referência ao Descoberto a partir da referência ao 
registrador designado na instrução.
Imediato:
 O valor do operando está descrito no 
campo da instrução.
Dispositivo de E/S:
 Instrução – especifica o módulo e o 
dispositivo de E/S.
Formato de uma instrução
 A instrução é representada por uma 
sequência de bits (números binários 0 e 1).
 A instrução é dividida em campos, 
correspondentes aos elementos 
constituintes da instrução.
 É uma prática comum a utilização 
de representações simbólicas 
das instruções.
Tipos de formatos de instruções
OPCODE
OPCODE OPERANDO 1
OPCODE
OPCODE
OPERANDO 
1
OPERANDO 
1
OPERANDO 
2
OPERANDO 
2
OPERANDO 
3
Opcodes
São representados por abreviações, 
chamadas de mnemônicos, 
que indicam a operação.
 ADD: adiciona 
 SUB: subtraiSUB: subtrai
 MUL: multiplica
 DIV: divide
 LOAD: carrega dados da memória
 STOR: armazena dados na memória
Exemplo de uma instrução
Exemplo: ADD R, X
Opcode: ADD
Endereços dos operandos: R e X
 Esta instrução pode significar somar o 
valor contido no local de dados X com ovalor contido no local de dados X com o 
conteúdo do registrador R.
 Nesta instrução, a operação é executada 
sobre o conteúdo de um local e não 
sobre o endereço.
Arquitetura das instruções
Arquitetura memória-memória:
 Usam três operandos e todos podem
estar na memória.
Arquitetura registrador-memória:
 Usam dois operandos sendo que apenas Usam dois operandos, sendo que apenas 
um deles pode residir na memória.
Arquitetura registrador-registrador:
 Usam três operandos, todos em 
registradores.
Interatividade
Qual dos itens abaixo se trata de um tipo 
geral de instrução aplicado a qualquer 
processador?
a) Instruções de ponto flutuante.
b) Instruções de movimentação de dados.b) Instruções de movimentação de dados.
c) Instruções decimais.
d) Instrução de manipulação de bits.
e) Instrução de manipulação de strings.
Tipos de operandos
Os principais tipos de operandos são:
 endereços;
 números;
 caracteres;
 dados lógicos.
Tipos de operações (opcodes)
Os tipos mais gerais de opcodes são:
 transferência de dados;
 aritmética;
 lógica;
 conversão;
 E/S;
 transferência de controle.
Operação de transferência de dados
Para que esta instrução aconteça, 
são necessários:
 local dos operandos de origem e 
destino;
 extensão dos dados a seremextensão dos dados a serem 
transferidos;
 modo de endereçamento para cada 
operando.
Exemplos:
 MOVE – transfere palavra da origem 
para o destino;
 SET – transfere 1s para o destino.
Operações aritméticas
 Envolvem operações aritméticas da CPU 
como adição, subtração, multiplicação 
e divisão.
Outros exemplos:
 Absolute – apanha o valor absoluto doAbsolute apanha o valor absoluto do 
operando.
 Negate – inverte o sinal do operando.
 Increment – soma 1 ao operando.
 Decrement – subtrai 1 do operando.
Operações lógicas
 Operações utilizadas na manipulação de 
bits (números binário 0 e 1).
Exemplos: OR – operação “OU”.
 AND operação “E” AND – operação “E”.
 XOR – operação “OU” exclusivo.
 NOT – inversão de bit.
Outras operações
Operações de conversão
 Ex.: conversão decimal/binário.
Operações E/S
 Ex: input (leitura) e output (escrita).
Operações de transferência de controle
 Ex.: jump (desvio) e halt (término).
Ações do processador para 
diversos tipos de operação
Transferência de dados
 Transferência de dados de um 
local para outro.
 Determinação do endereço da memória.
 Verificação de cache Verificação de cache.
 Início da leitura e escrita.
Aritmética
 Pode envolver transferência de dados.
 Realiza funções na ULA Realiza funções na ULA.
 Define códigos de condição.
Ações do processador para 
diversos tipos de operação
Conversão
 Semelhante a aritmética e lógica, 
podendo envolver lógica especial para 
as conversões.
Transferência de controleTransferência de controle
 Atualização de contador de programa.
 Para chamada e retorno de sub-rotina.
E/S
 Determina E/S mapeada na memória.p
Lógica
 O mesmo que aritmética.
Ciclo da instrução
 Trazer a próxima instrução da memória 
até o registrador.
 Alterar o contador de programa para 
indicar a próxima instrução.
 Determinar o tipo da instrução.Determinar o tipo da instrução.
 Se a instrução necessitar de uma palavra 
da memória, determinar onde essa 
palavra está.
Ciclo da instrução
 Trazer a palavra para dentro de um 
registrador da CPU, se necessário.
 Executar a instrução.
 Se as interrupções estão habilitadas e 
ocorre alguma, salva-se o estado doocorre alguma, salva se o estado do 
processo, atende-se à interrupção e 
depois retorna-se ao passo final.
 Voltar à etapa 1 para iniciar a execução 
da instrução seguinte.
Interatividade
Qual dentre as operações relacionadas 
emite comandos para um módulo de 
entrada e não requer uma ação da 
unidade lógica?
a) Transferência de dados.
b) Aritmética.
c) Lógica.
d) Conversão.
e) E/S.
Clock interno
 Também conhecido como clock do 
processador.
 São sinais elétricos que, através 
de um cristal de quartzo, realizam a 
sincronização entre as instruções a 
serem processadas.
 As oscilações são mensuradas em hertz 
(Hz), unidade padrão de medidas de 
frequência, que indica o número de 
ciclos que ocorre em certo tempo, no 
dcaso, segundos.
Ex.: um processador de 500 MHz lida 
com 500 milhões de operações por 
ciclo de clock.
RISC versus CISC
 No final da década de 1970, existia uma 
deficiência entre o que as máquinas 
podiam fazer e o que as linguagens de 
alto nível exigiam.
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
X
CISC (Complex Instruction Set Computer)
RISC
 Conjunto de instruções reduzidas e 
menos complexas.
 Execução da instrução em um ciclo 
de clock.
 Alto uso de pipeline.Alto uso de pipeline.
 Poucas instruções e modos de 
endereçamento.
 Instruções executadas pelo hardware.
 O processador precisa de um grande 
número de registradores.
CISC
 Conjunto de instruções complexas.
 Qualquer instrução pode referenciar 
a memória.
 Facilidade de programar o processador.
 Instruções com vários formatos Instruções com vários formatos.
 Instruções de tamanho variável de 
acordo com o modo de endereçamento.
 Instruções que requerem muitos 
ciclos de clock.
Paralelismo no nível de instrução
Maximização da performance do 
computador:
 Aumento da taxa de execuções de 
instruções por segundo.
 Fazer com que o processador realizeFazer com que o processador realize 
atividades em paralelo (paralelismo).
Paralelismo ou pipeline é a técnica de 
dividir a execução da instrução em várias 
partes, e cada uma será manipulada por 
uma parte específica do processador.uma parte específica do processador.
Modelo de pipeline
Arquiteturas superescalares
 Manter na unidade de execução mais de 
uma ULA, uma unidade para LOAD, uma 
para STORE.
Paralelismo no nível do 
processador
 O paralelismo no nível de instrução é 
insuficiente devido à dependência 
das instruções.
 No paralelismo no nível de instrução, 
a dissipação de calor é cada vez 
maior em relação às execuções.
 Consiste em projetar computadores 
com várias CPUs.
Multiprocessadores
 Multiprocessadores: compostos de 
vários processadores independentes 
compartilhando a mesma memória.
Multicomputadores
 Multicomputadores: cada CPU tem a sua 
memória local, que só é acessada por 
aquele processador; no entanto, pode 
haver uma quantidade de memória 
compartilhada entre as CPUs.
Resumo da unidade
 Compreendemos a organização 
do computador.
 Conhecemos com mais detalhes e 
clareza a função do processador.
 Conhecemos as instruções de máquinaConhecemos as instruções de máquina 
de um processador.
 Abordamos questões voltadas 
ao paralelismo.
Interatividade
Qual dos itens abaixo não diz respeito ao 
Conjunto de Instruções Complexas (CISC)?
a) Qualquer instrução pode referenciar 
a memória.
b) Facilidade de programar o processador.b) Facilidade de programar o processador.
c) As instruções possuem formato único.
d) Instruções de tamanho variável de 
acordo com o modo de endereçamento.
e) Instruções que requerem muitos ciclos 
de clock.
ATÉ A PRÓXIMA!