UNIP Universidade Paulista DisciplinaOnline Organização de Computadores 04

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17/03/2018 UNIP - Universidade Paulista : DisciplinaOnline - Sistemas de conteúdo online para Alunos.
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MÓDULO 4:
O NÍVEL DE MICROARQUITETURA
Conteúdo: Exemplo de microarquitetura: fluxo de dados, temporização do fluxo
de dados, operação de memória, microinstruções.
A função do nível de microarquitetura é implementar a camada ISA.
 
O fluxo ou caminho de dados é a parte do processador que contem a ULA e suas
respectivas entradas e saídas.
A temporização do caminho de dados permite a leitura e a escrita de um
registrador no mesmo período do clock.
O computador pode se comunicar com a memória de duas maneiras distintas: por
meio de uma porta de memória de 32 bits, que endereça palavra ou por meio de
outra porta de memória, com 8 bits que endereça byte. A porta de 32 bits é
controlada por dois registradores: MAR : memory address register e MDR :
memory data register. A porta de 8 bits é controlada por um terceiro
registrador : PC ( program counter ) que lê um byte da memória e coloca os 8
bits num outro registrador : MBR ( memory buffer register).
 
Como exemplo do nível de microarquitetura temos o MIC-1.
 
Para controlar o caminho de dados são necessários 29 sinais, divididos em cinco
grupos funcionais:
 
- 9 sinais para controlar a escrita de dados do barramento nos registradores
- 9 sinais para controlar a habilitação da saída dos registradores para o
barramento, para compor as entradas da ULA
- 8 sinais para controlar as funções da ULA e do deslocador
- 2 sinais para indicar a leitura/escrita da memória por meio dos registradores
MAR/MBR
- 1 sinal para indicar a busca na memória por meio dos registradores PC/MBR.
Os valores desses 29 sinais especificam as operações a serem realizadas em um
ciclo do caminho de dados.
 
 
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Diagrama Completo do Nível de Microarquitetura
 
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A ISA é o nível mais próximo do um processador que pode ser visto por um
programador de linguagem de montagem ou o escritor compilador. 
 O nível ISA inclui o modelo de execução, registradores do processador, endereço
e formatos de dados, entre outras coisas. A microarquitetura inclui as partes
constituintes do processador e como estes interligam e como interagem para
implementar o ISA.
A microarquitetura de uma máquina é geralmente representada por diagramas
que descrevem as interligações dos vários elementos microarquiteturais da
máquina, desde portas individuais e registradores, a unidade lógica e aritmética
(ULA) (mais ou menos detalhada) e ainda muitos outros elementos. Estes
diagramas geralmente separam o caminho de dados (onde os dados são
colocados) e o caminho dos sinais de controle ( usado para dirigir os dados).
A pessoa projetar um sistema geralmente atrai a microarquitetura específica como
uma espécie de diagrama de fluxo de dados. Como um diagrama de blocos, o
diagrama de microarquitetura mostra elementos como a unidade lógica e
aritmética e os registradores como um único símbolo esquemático. Normalmente,
o diagrama liga esses elementos com setas, linhas grossas e finas linhas para
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distinguir entre as barras de três estados (que requerem um buffer de três estado
para cada dispositivo que utiliza o barramento ), barramentos unidirecionais
(sempre controlados por um único dispositivo), e linhas de controle individuais.
Cada elemento da microarquitetura por sua vez é representado por um esquema
descrevendo as interconexões de portas lógicas utilizadas para implementá-lo.
Porque o Nível Lógico Digital implementa o Nível de Microarquitetura. Cada porta
lógica é, por sua vez representada por um diagrama de circuito que descreve as
conexões dos transistores usados para implementá-lo em alguma família lógica
particular. Máquinas com diferentes microarquiteturas podem ter o mesmo
conjunto de instruções, e assim ser capaz de executar os mesmos programas.
Novas microarquiteturas e / ou soluções de circuito, juntamente com os avanços
na fabricação de semicondutores, são o que permite que novas gerações de
processadores para alcançar um maior desempenho ao mesmo tempo que usam o
mesmo ISA. 
Em princípio, um único microarquitetura pode executar vários ISAs diferentes,
com apenas pequenas alterações para o microcódigo. 
Essa prática possibilita a evolução da performance de microprocessadores, ao
mesmo tempo em que a arquitetura é compatível com arquiteturas mais antigas.
Possibilitando que softwares já existentes continuem funcionando em novos
microprocessadores.
Características do Nível de Microarquitetura
O projeto do nível de microarquitetura envolve características mensuráveis de um
computador, tais como: velocidade, custo, facilidade de uso, confiabilidade,
consumo de energia e tamanho físico. Essas características podem ser
combinadas na realização do projeto.
Velocidade versus custo: pode-se obter ganho de velocidade apenas trabalhando a
organização da máquina. Fixando a tecnologia do circuito e a arquitetura das
instruções, existem três metodologias básicas para melhorar a velocidade de
execução das instruções:
- reduzir o numero de ciclos de clock necessários à execução das instruções,
- simplificar a organização da máquina de modo a reduzir o período de clock,
- sobrepor a execução das instruções.
O numero de ciclos de clock gastos na execução de um conjunto de operações
define o comprimento do caminho, que pode ser encurtado com a incorporação de
hardware especial.
 
Exercício 1:
Avalie os itens a seguir para selecionar a opção correta:
i) ativação dos sinais de controle
ii) carregamento do barramento a partir dos registradores
iii) operação da unidade de lógica e aritmética (ULA) e do deslocador
iv) propagação do resultado através do barramento em direção aos registradores
A)
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As afirmações acima se referem ao ciclo do caminho de dados do processador.
B)
As afirmações acima estão relacionadas com a temporização do caminho de
dados.
C)
As afirmações acima são relativas a operação da memória.
D)
As afirmações acima representem um conjunto de microinstruções.
E)
As afirmações acima descrevem a operação da ULA.
Comentários:
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Exercício 2:
O nível da microarquitetura situa-se logo acima do nível da lógica digital e tem
por finalidade:
A)
Implementar o caminho dos dados.
B)
Implementar a camada ISA (Instruction Set Architecture).
C)
Permitir a realização das operações de acesso à memória.
D)
Controlar os dispositivos internos do processador.
E)
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Implementar os comandos do sistema operacional.
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Exercício 3:
Qual é o registrador cuja função é armazenar temporariamente o endereço do
conteúdo da memória a ser acessado?
A)
MAR
B)
MBR
C)
PC
D)
Acumulador
E)
SP ( Stack Pointer )
Comentários:
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Exercício 4:
Qual é o registrador cuja função é apontar para o endereço da próxima instrução
do programa a ser buscada na memória?
A)MAR
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B)
MBR
C)
PC
D)
Acumulador
E)
SP
Comentários:
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Exercício 5:
Qual desses níveis tem a função de implementar a camada ISA?
A)
Nível ISA.
B)
Nível Lógico Digital.
C)
Nível do Sistema Operacional.
D)
Nível de Programação Orientada ao Problema.
E)
Nível de Microarquitetura.
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Exercício 6:
Os projetistas de máquinas logo perceberam que era muito fácil incorporar novas
instruções e novas funcionalidades às máquinas usando microprogramação. Faça
uma análise das alternativas abaixo e selecione uma funcionalidade que não
tenha sido incorporada utilizando recursos de microprogramação:
A)
Funcionalidades para acelerar o processamento dos programas, envolvendo
cálculo matricial (indexação e endereçamento indireto).
B)
Funcionalidades para permitir que os programas pudessem ser deslocados de
posição da memória após o início da execução.
C)
Sistemas de interrupção que enviam sinal para o processador tão logo que uma
operação de entrada ou saída termine.
D)
Capacidade de suspender a execução de um programa e iniciar a execução de
outro, usando para isso um número muito pequeno de instruções (troca de
contexto entre processos).
E)
Funcionalidades para permitir o controle da memória cache no nível ISA, onde
passou a ser possível direcionar ou não a leitura ou gravação de dados pelo
processador estabelecido por níveis de prioridade de acesso.
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Exercício 7:
Os microprocessadores que usam a tecnologia de microprogramação são
denominados:
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A)
RISC
B)
CISC
C)
Superescalares
D)
Multicore
E)
Nenhuma das alternativas anteriores
Comentários:
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Exercício 8:
O processamento em pipeline permite que se estabeleça uma relação entre o
“quanto uma instrução demora para ser executada” e “quantos MIPS o
processador executa”. Essas duas grandezas são, respectivamente, denominadas
de:
A)
Latência e velocidade de processamento.
B)
Latência e período.
C)
Período e velocidade de processamento.
D)
Latência e banda passante.
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E)
Banda passante e período.
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Exercício 9:
Para a figura abaixo, temos 5 estágios de processamento de uma instrução.
 
 A seqüência apresentada na figura acima corresponde a uma forma de paralelismo em nível de
instrução, na qual um estágio de uma instrução é processado simultaneamente ao estágio de outra.
Em condições ideais, qual é o número máximo de instruções que têm um estágio executado
simultaneamente a outras instruções?
A)
1
B)
2
C)
3
D)
4
E)
5
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Exercício 10:
Assinale a alternativa que representa os microprocessadores que fazem uso de
microcódigo:
A)
SSD
B)
SSE
C)
CMOS
D)
RISC
E)
CISC
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Exercício 11:
Qual o componente do nível de microarquitetura que possui circuitos lógicos
combinacionais dedicados a implementar as operações lógicas executadas pelas
instruções do nível ISA?
A)
MAR
B)
MBR
C)
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PC
D)
ULA
E)
Acumulador.
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Exercício 12:
Os projetistas de máquinas logo perceberam que era muito fácil incorporar novas
instruções e novas funcionalidades às máquinas usando microprogramação. Faça
uma análise das alternativas abaixo e selecione uma funcionalidade que não
tenha sido incorporada utilizando recursos de microprogramação:
A)
Funcionalidades para acelerar o processamento dos programas, envolvendo
cálculo matricial (indexação e endereçamento indireto).
B)
Funcionalidades para permitir que os programas pudessem ser deslocados de
posição da memória após o início da execução.
C)
Sistemas de interrupção que enviam sinal para o processador tão logo que uma
operação de entrada ou saída termine.
D)
Capacidade de suspender a execução de um programa e iniciar a execução de
outro, usando para isso um número muito pequeno de instruções (troca de
contexto entre processos).
E)
Funcionalidades para permitir o controle da memória cache no nível ISA, onde
passou a ser possível direcionar ou não a leitura ou gravação de dados pelo
processador estabelecido por níveis de prioridade de acesso.
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