UFPI 3.Microarquitetura

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Universidade Federal do Piauí
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica
CIRCUITOS DIGITAIS II
Prof. Marcos Zurita
zurita@ufpi.edu.br
www.ufpi.br/zurita
Teresina - 2011
 Microarquitetura
2
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Sumário
● 1. Microarquitetura
● 2. MIC-1 - Caminho de Dados
● 3. MIC-1 – Unidade de Controle
● 4. Temporização
● Bibliografia
3
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
 
1. Microarquitetura
4
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Microarquitetura
Microarquitetura
● Pode ser dividida em duas partes:
● Caminho de Dados (parte operativa): composta pelos 
componentes responsáveis pela execução de operações 
elementares sobre os dados.
● Unidade de Controle: formada pelo circuito responsável 
pelo controle e coordenação da parte operativa, de modo 
a fazê-la executar as operações desejadas.
Unidade de
Controle
Caminho de Dados
(parte operativa)
5
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Microarquitetura
MIC
● Microarquitetura didática proposta por Tanenbaum.
● Implementada em 4 versões: MIC-1, MIC-2, MIC-3 e 
MIC-4.
● Dedicada a executar um subconjunto das instruções da 
Máquina Virtual Java chamado IJVM.
● IJVM: Integer Java Virtual Machine – apenas instruções 
que operam com números inteiros.
● Modelo de memória Von Neumann.
● Capaz de acessar 32 bits de dados na memória 
simultaneamente (barramento de dados de 32 bits).
● Capaz de endereçar 4 GB de Memória Principal 
(barramento de endereços de 32 bits).
6
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2. MIC-1 - Caminho de Dados
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MIC-1 - Caminho de Dados
O Caminho de Dados do MIC-1
● Composto por 3 barramentos de 32 bits e 4 componentes:
● Um conjunto de 
registradores;
● Uma ULA capaz de 
operar sobre os 
registradores;
● Um deslocador ligado à 
saída da ULA de modo a 
estender a gama de 
operações possíveis;
● Portas de comunicação 
com a memória principal.
ULA
A B
RegistradoresMemóriaPrincipal
C
Deslocador
8
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MIC-1 - Caminho de Dados
ULA
● Puramente combinacional (não há flip-flops).
● 2 portas de entrada para operandos de 32 bits (A e B);
● 1 porta de saída da operação de 32 bits (C);
● 6 vias de controle (ULAc);
● 1 saída (1 bit) para indicar se a operação resultou em zero 
(Z) e outra para indicar se resultou em valor negativo (N).
Z
N
A B
C
6
ULAc
ULA
9
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MIC-1 - Caminho de Dados
● A ULA de 32 bits pode ser implementada a partir de 32 ULAs 
de 1 bit (bit slices) conectadas de modo que o “vai um” (carry 
out) de uma é ligado ao “vem um” (carry in) da ULA de peso 
imediatamente maior.
● O terminal de “vem um” da ULA de peso zero é externado 
como uma linha de controle (INC) capaz de somar um ao 
valor final da operação selecionada.
● A habilitação das portas A e B é feita através de duas linhas 
de controle chamada ENA e ENB (não mostradas). 
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MIC-1 - Caminho de Dados
Bit Slice da ULA
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MIC-1 - Caminho de Dados
Conexões da ULA
● A, B: Portas de entrada de operandos (32 bits).
● C: Porta de saída da operação (32 bits).
● Z: “Zero” - Indica que a operação resultou em C = 0.
● N: “Negativo” - indica que a operação resultou em C < 0.
● ULAc: Linhas de controle da ULA (6 bits):
● F0, F1: Determinam a operação a ser feita entre A e B.
● ENA, ENB: Habilitam as entradas A e B, respectivamente.
● INVA: Inverte os bits da entrada A.
● INC: INCrement - força um “vem um” no bit menos 
significativo do somador, incrementando em 1 o resultado 
da ULA.
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MIC-1 - Caminho de Dados
Combinações úteis dos sinais de controle da ULA
F0 F1 ENA ENB INVA INC FUNÇÃO
0 1 1 0 0 0 A
0 1 0 1 0 0 B
0 1 1 0 1 0 A
1 0 1 1 0 0 B
1 1 1 1 0 0 A + B
1 1 1 1 0 1 A + B + 1
1 1 1 0 0 1 A + 1
1 1 0 1 0 1 B + 1
1 1 1 1 1 1 B - A
1 1 0 1 1 0 B - 1
1 1 1 0 1 1 -A
0 0 1 1 0 0 A AND B
0 1 1 1 0 0 A OR B
0 1 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 1 1
0 1 0 0 1 0 -1
-A: complemento de 2 de A.
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MIC-1 - Caminho de Dados
Deslocador
● Circuito puramente combinacional;
● 1 porta de entrada de 32 bits (E);
● 1 porta de saída de 32 bits (S);
● 2 vias de controle (SLL8 e SRA1);
● Capaz de deslocar a entrada 8 bits à esquerda, 1 bit à 
direita ou simplesmente copiar a entrada na saída.
Deslocador
2
E
S
SSL8 SRA1 FUNÇÃO
0 0 S = E
0 1 S = E >> 1
1 0 S = E << 8
1 1 Não permitido
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MIC-1 - Caminho de Dados
Deslocador Simples de 8 bits
● Capaz de deslocar a entrada 1 bit à esquerda ou à 
direita, conforme o valor de C.
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MIC-1 - Caminho de Dados
Registradores e Portas
● A composição do caminho de 
dados da microarquitetura do 
MIC-1 até este momento, pode 
ser representada pela figura 
ao lado.
● 3 barramentos internos:
● A e B: Barramentos de leitura 
dos registradores;
● C: barramento de escrita nos 
registradores;
● 2 barramentos externos para 
comunicação com a memória 
(endereços e dados).
Z
N
2
6 ULA
A BC
Deslocador
Registradores
16
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MIC-1 - Caminho de Dados
● Para que a microarquitetura 
possa acessar a memória são 
necessários registradores de 
endereço e dados (e portas):
● MAR: Memory Address Register. 
Registrador de Endereços de 
Memória. Guarda 32 bits do 
endereço de uma palavra de 
32 bits da memória de dados.
● MDR: Memory Data Register. 
Registrador de Dados de 
Memória. Guarda uma palavra 
de 32 bits lidos da memória ou 
a serem escritos nela.
Z
N
MAR
MDR
2
6 ULA
A BC
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● Instruções de um programas são 
executados segundo uma ordem 
precisa;
● Uma microarquitetura necessita 
saber, sempre, qual a próxima 
instrução a ser executada;
●  Deve haver um registrador 
apontador de programa (PC);
● PC: Program Counter.
● É desejável que esse registrador 
possa endereçar diretamente a 
memória de programa:
● Porta de endereço de programa.
Z
N
MAR
MDR
2
6 ULA
A BC
PC
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● A Instrução lida da memória deve 
ser armazenada para 
decodificação e uso futuro.
● Deve haver um registrador de 
instrução:
● MBR: Memory Buffer Register.
● É desejável que esse registrador 
possa receber a instrução 
diretamente da memória de 
programa:
● Porta de instrução.
Z
N
2
6 ULA
A BC
MBR
MAR
MDR
PC
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● O MBR é o único registrador de 8 
bits do MIC-1.
● Por outro lado, o barramento B é 
de 32 bits.
● O MBR pode ser carregado no 
barramento B de 2 formas:
● Como um dado sem sinal: os 
24 bits à esquerda são zerados.
● Ex.: 0xA4 → 0x000000A4.
Z
N
2
6 ULA
A BC
MBRMBR
MAR
MDR
PC
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● O MBR é o único registrador de 8 
bits do MIC-1.
● Por outro lado, o barramento B é 
de 32 bits.
● O MBR pode ser carregado no 
barramento B de 2 formas:
● Como um dado sem sinal: os 
24 bits à esquerda são zerados.
● Ex.: 0xA4 → 0x000000A4.
● Como um dado com sinal 
(entre -128 e 127): os 24 bits à 
esquerda são copiados do bit 
mais significativode MBR.
● Ex.: 0xA4 → 0xFFFFFFA4.
Z
N
2
6 ULA
A BC
MBR
MAR
MDR
PC
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● A capacidade de empilhar e 
desempilhar dados numa região 
reservada da memória é impor-
tante em muitas arquiteturas.
● É necessário um registrador 
apontador de pilha:
● SP: Stack Pointer – Apontador 
de Pilha.
Z
N
MAR
MDR
2
6 ULA
A BC
PC
MBR
SP
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● A capacidade de empilhar e 
desempilhar dados numa região 
reservada da memória é impor-
tante em muitas arquiteturas.
● É necessário um registrador 
apontador de pilha:
● SP: Stack Pointer – Apontador 
de Pilha.
● É necessário um registrador para 
armazenar o conteúdo do topo da 
pilha de operandos:
● TOS: Top Of Stack – Topo da 
Pilha. Armazena uma cópia do 
valor contido no topo da pilha.
Z
N
MAR
MDR
2
6 ULA
A BC
PC
MBR
SP
TOS
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● As variáveis locais de um 
procedimento precisam ser 
armazenadas em um local 
próprio da da pilha de operandos.
● É necessário um registrador 
apontador de variáveis:
● LV: Local Variables – Variáveis 
Locais. Aponta para o endereço 
inicial do conjunto de variáveis 
na memória principal.
Z
N
MAR
MDR
2
6 ULA
A BC
PC
MBR
SP
LV
TOS
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● O uso de constantes é um 
recurso de grande utilidade em 
programação.
● Elas devem ser alocadas em uma 
região da memória inacessível à 
escrita pelos programas IJVM.
● É necessário um registrador 
apontador de constantes:
● CPP: Constant Pool Pointer – 
Apontador do Conjunto de 
Constantes. Aponta para o 
endereço inicial do conjunto de 
constantes na memória principal.
Z
N
MAR
MDR
2
6 ULA
A BC
PC
MBR
SP
LV
TOS
CPP
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● Antes de se chamar uma sub-
rotina é necessário copiar o valor 
do PC em um registro temporário 
para que se possa retornar à 
execução após seu término.
● É necessário um registrador 
temporário para armazenar o 
valor anterior do PC:
● OPC: Old Program Counter – 
Contador de Programa Anterior. 
Registrador temporário utilizado 
para armazenar o valor do 
registrador PC antes de um 
desvio.
Z
N
MAR
MDR
2
6 ULA
A BC
PC
MBR
SP
LV
TOS
CPP
OPC
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
● Ao menos um registrador deve 
ser capaz de fornecer o operando 
esquerdo para a ULA 
(barramento A):
● H: Holding register – Registrador 
temporário utilizado para 
armazenar o segundo operando 
para a ULA.
● Permanentemente habilitado, 
seu conteúdo está constante-
mente visível no barramento A.
Z
N
2
6 ULA
A BC
MBR
H
MAR
MDR
PC
SP
LV
TOS
CPP
OPC
Deslocador
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MIC-1 - Caminho de Dados
Registradores do Caminho de Dados
● MAR: Memory Address Register – Registrador de 
endereços de memória.
● Guarda os 32 bits do endereço de uma palavra de 32 bits 
na memória de dados.
● Mapeado indiretamente no barramento de endereços já 
que os dados na memória são de 8 e não 32 bits.
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MIC-1 - Caminho de Dados
● MDR: Memory Data Register – Registrador de Dados de 
Memória
● Guarda uma palavra de 32 bits lidos da memória ou a 
serem escritos nela.
● PC: Program Counter – Apontador de Programa.
● Aponta para o endereço (32 bits) do byte que contém a 
próxima instrução a ser executada pela microarquitetura.
● MBR: Memory Buffer Register – Guarda 8 bits da 
instrução lida da memória de programa.
● É o único registrador de 8 bits do MIC-1.
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MIC-1 - Caminho de Dados
● SP: Stack Pointer – Apontador de Pilha.
● Aponta para o endereço do topo da pilha de operandos na 
memória principal.
● LV: Local Variables – Variáveis Locais.
● Aponta para o endereço inicial do conjunto de variáveis 
locais na memória principal.
● CPP: Constant Pool Pointer – Apontador do Conjunto de 
Constantes. 
● Aponta para o endereço inicial do conjunto de constantes 
na memória principal.
● TOS: Top Of Stack – Topo da Pilha.
● Registrador destinado a armazenar uma cópia do valor 
contido no topo da pilha de operandos.
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MIC-1 - Caminho de Dados
● OPC: Old Program Counter – Contador de Programa 
Anterior.
● Registrador temporário, utilizado para armazenar o valor 
anterior do registrador PC.
● Permite que a execução da principal possa ser retomada 
rapidamente após a execução de uma sub-rotina.
● H: Holding register – Registrador temporário utilizado 
para armazenar o segundo operando para a ULA.
● Permanentemente habilitado, seu conteúdo está 
constantemente visível no barramento A.
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3. MIC-1 – Unidade de Controle
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Unidade de Controle
● A unidade de controle destina-se a decodificar as instru-
ções recebidas e coordenar a operação dos componen-
tes do caminho de dados de forma a executá-las.
● Sua concepção parte da análise de como estes compo-
nentes devem interagir para a correta execução das 
instruções.
● Na microarquitetura projetada, estes componentes são:
● ULA;
● Deslocador;
● Registradores;
● Acesso à memória.
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Controle dos Registradores 
● Ao todo, 8 registradores 
comunicam-se com o barramento 
B e 9 com o barramento C.
● Deve haver um controle para 
determinar quais registradores 
devem ser escritos e qual deve 
ser lido a cada ciclo.
●  Barramento de sinais de controle 
de escrita nos registradores: 9 vias;
Z
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Controle dos Registradores 
● Ao todo, 8 registradores 
comunicam-se com o barramento 
B e 9 com o barramento C.
● Deve haver um controle para 
determinar quais registradores 
devem ser escritos e qual deve 
ser lido a cada ciclo.
●  Barramento de sinais de controle 
de escrita nos registradores: 9 vias;
●  Barramento de sinais de controle 
de leitura dos registradores: 9 vias, 
sendo 2 dedicadas à leitura de MBR 
(com e sem sinal).
Z
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Controle do Acesso à Memória
● O acesso à memória principal é 
feito através de dois pares de 
registradores:
● MAR/MDR: dados de 32 bits;
● PC/MBR: instruções de 8 bits;
● Deve haver um controle para 
determinar quais registradores 
terão acesso aos barramentos de 
dados e endereços da memória.
●  Sinais de controle de acesso à 
memória principal: Read, Write, 
Fetch (3 vias).
Z
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3 (Read, Write, Fetch)
36
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● Read = 1: A memória é lida no 
endereço da palavra de 32 bits 
apontado por MAR e o valor 
guardado em MDR;
● Write = 1: O valor em MDR é 
escritona memória no endereço 
da palavra de 32 bits apontado 
por MAR.
● Fetch = 1: A memória é lida no 
endereço do byte apontado por 
PC e a instrução (valor de 8 bits) 
guardado em MBR.
Z
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3 (Read, Write, Fetch)
37
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Temporização
● A análise da temporização de um 
ciclo de execução do CdD é uma 
etapa importante na elaboração 
da UC. Em especial, nota-se que:
● Exceto os registradores, todo o 
CdD é puramente combinacional.
● Pode-se ler e escrever no mesmo 
registrador num único ciclo.
● Ex.: Temporização para H=TOS+1.
ΔxΔw Δy ΔzZ
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3 (Read, Write, Fetch)
38
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Subciclos para H=TOS+1
● 1 - sinais de controle ajustados;
ΔxΔw Δy ΔzZ
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
2
6
2
6
3 (Read, Write, Fetch)
39
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Subciclos para H=TOS+1
● 1 - sinais de controle ajustados;
● 2 - o registrador selecionado é 
carregado no barramento B;
ΔxΔw Δy ΔzZ
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3 (Read, Write, Fetch)
40
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Subciclos para H=TOS+1
● 1 - sinais de controle ajustados;
● 2 - o registrador selecionado é 
carregado no barramento B;
● 3 - operação da ULA e do deslocador;
ΔxΔw Δy ΔzZ
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3 (Read, Write, Fetch)
41
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Subciclos para H=TOS+1
● 1 - sinais de controle ajustados;
● 2 - o registrador selecionado é 
carregado no barramento B;
● 3 - operação da ULA e do deslocador;
● 4 - o resultado se propaga através do 
barramento C para os registradores.
ΔxΔw Δy ΔzZ
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3 (Read, Write, Fetch)
42
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Subciclos para H=TOS+1
● 1 - sinais de controle ajustados;
● 2 - o registrador selecionado é 
carregado no barramento B;
● 3 - operação da ULA e do deslocador;
● 4 - o resultado se propaga através do 
barramento C para os registradores.
● (subida do clock) - o resultado no 
barramento C é armazenado no(s) 
registrador(es) selecionado(s) para 
escrita.
ΔxΔw Δy ΔzZ
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6 ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3 (Read, Write, Fetch)
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Geração dos Sinais de Controle
● Conforme foi visto, para controlar o CdD a UC deverá 
gerar 29 sinais, que podem ser divididos em 5 grupos:
● Escrita nos Registradores: 9 vias;
● Leitura dos Registradores: 9 vias;
● Controle da ULA e do Deslocador: 8 vias;
● Leitura/escrita da Memória Principal via MAR/MDR: 2 vias;
● Busca na Memória Principal via PC/BMR: 1 via.
● A geração dos sinais de controle deve ser feita com 
base em 2 informações fornecidas pelo CdD:
● A instrução contida em MBR: 8 vias;
● O estado da ULA (saídas N e Z): 2 vias.
44
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Conexões Entre o Caminho de Dados e a UC
Unidade de
Controle
Z
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6
ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3
(Read, Write, Fetch)
9
8
45
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Implementação da Unidade de Controle
● A natureza cíclica de operação da unidade de controle 
(busca, decodificação e execução) sugere que, de 
alguma forma, sua implementação deve ser feita por um 
circuito de natureza sequencial.
● De maneira geral, pode-se dizer que a implementação 
desse circuito pode ser feita de duas maneiras distintas:
● Hardwired
● Microprogramada
46
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Unidade de Controle Hardwired
● Sinais de controle gerados a partir de circuitos lógicos 
sequenciais (flip-flops + portas logicas), com base no 
conteúdo do registrador de instruções e nos sinais de estado 
gerados pelo caminho de dados.
●  Elevada velocidade de operação;
●  Baixa flexibilidade quanto a alterações nas instruções;
●  Sua complexidade aumenta dramaticamente com o 
aumento do número de instruções do processador. 
Unidade de Controle Caminho de Dados
RI
Z
N ULA
Circuito
Sequencial
47
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Unidade de Controle Microprogramada
● Sinais de controle gerados a partir da execução de 
microinstruções armazenadas em uma memória dedicada 
denominada “Memória de Controle”.
●  Simples de implementar e de realizar alterações;
●  Facilidade na inclusão de novas instruções;
●  Baixa velocidade de operação se comparada à 
implementação hardwired.
● Forma de implementação adotada para o MIC-1.
Unidade de Controle Caminho de Dados
RI
Z
N ULA
Memória de
Controle
48
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Unidade de Controle Microprogramada do MIC-1
Z
N
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
6
ULA
A BC
Deslocador
MBR
SP
3
(Read, Write, Fetch)
9
8
Unidade de Controle
N ZMBR
8
Sinais de controle
. . .
Registrador de Microinstruções
 Memória de
Controle
Sequenciador
endereço
dado (microinstrução)
49
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● A princípio, todos os 29 sinais de controle poderiam ser 
mapeados diretamente como bits de dados da memória 
de controle.
● Neste caso, o conteúdo armazenado pelo Registrador de 
Microinstruções (MIR) poderia ser representado por:
● Onde:
● ULA: bits de controle da ULA e do Deslocador
● C: bits de seleção dos registradores que deverão ser escritos 
pelo barramento C.
● Mem: bits de controle do acesso à memória (read, write, fetch).
● B: seleção do registrador que será lido pelo barramento B.
ULA C Mem B
8 bits 9 bits 3 bits 9 bits
Registrador de Microinstruções (MIR)
50
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MIC-1 – Unidade de Controle
● O mapeamento bit-a-bit dos sinais de controle do 
barramento C na memória de controle é desejável pois 
permite que uma microinstrução escreva um dado valor 
em mais de um registrador ao mesmo tempo;
● Por outro lado, o mesmo não é verdadeiro para os sinais 
de controle do barramento B;
● A seleção da leitura de mais de um registrador ao 
mesmo tempo geraria conflito e possivelmente dano 
físico aos componentes.
TOS [0x55]
OPC [0xaa]
B
!
51
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● Uma boa solução para isto é fazer com que o controle 
dos sinais de escrita no barramento B seja intermediada 
por um decodificador capaz de endereça-los 
individualmente.
● Neste caso, poderia-se empregar um decodificador 
comercial do tipo 4 para 16.
● A seleção do registrador a ser lido pelo barramento B 
passa a precisar apenas de 4 bits no MIR.
ULA C Mem B
8 bits 9 bits 3 bits
Registrador de Microinstruções (MIR)
4
9 vias
Decodificador
4 → 16
7 vias (não utilizadas)
. . . . . .
52
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidadede Controle
Seleção do Registrador a Ser Lido Pelo Barramento B
● Conforme o valor do campo B do MIR temos:
● 0: MDR
● 1: PC
● 2: MBR (MBR com sinal)
● 3: MBRU (MBR sem sinal)
● 4: CPP
● 5: LV
● 6: SP
● 7: TOS
● 8: OPC
● 9 a 15: nenhum registrador
53
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● Além de gerar os sinais de controle do CdD para cada 
ciclo, a UC deve também determinar o que deve ser feito 
no ciclo seguinte.
● Isso pode ser implementado incluindo-se bits adicionais 
em cada microinstrução.
● Para isto, serão adicionados dois campos ao código das 
microinstruções:
● NEXT_ADDRESS: Próximo Endereço – contém o 
endereço da potencial microinstrução seguinte na 
memória de controle;
● JAM: Determina como a próxima microinstrução será 
selecionada. Este campo consumirá 3 bits, a serem 
detalhados adiante. 
54
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● Admitindo que a memória de controle adotada possua 
512 endereços, o campo NEXT_ADDRESS deverá 
conter 9 bits para poder endereça-la.
O Conjunto Memória de Controle + MIR
Registrador de Microinstruções (MIR)
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
R
A
1
F
0
F
1
E
N
A
E
N
B
I
N
V
A
I
N
C
H
O
P
C
T
O
S
C
P
P
L
V
S
P
P
C
M
D
R
M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT_ADDRESS
Addr
(9 bits)
JAM
(3 bits)
Mem
(3 bits)
ULA
(8 bits)
C
(9 bits)
B
(2 bits)
 Memória de Controle para
armazenar o microprograma
(512 x 36)
55
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Bits de Controle do MIR (resumo)
● JMPC: Jump to PC – Define se o endereço da próxima 
microinstrução será dado diretamente por 
NEXT_ADDRESS ou se através de operação com MBR.
● JAMN: Jump if Negative – Se habilitado, desvia a 
execução da próxima microinstrução para 
NEXT_ADDRESS + 0x100, caso N=1; 
● JAMZ: Jump if Zero - Se habilitado, desvia a execução 
da próxima microinstrução para NEXT_ADDRESS + 
0x100, caso Z=1;
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
R
A
1
F
0
F
1
E
N
A
E
N
B
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V
A
I
N
C
H
O
P
C
T
O
S
C
P
P
L
V
S
P
P
C
M
D
R
M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT_ADDRESS
56
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● SLL8: Shift Left Logical 8 – Habilita o deslocamento de 8 
bits à esquerda no resultado da operação da ULA.
● SAR1: Shift Right Arithmetic - Habilita o deslocamento 
de 1 bit à direita no resultado da operação da ULA.
● F0, F1, ENA, ENB, INVA, INC: Ativam as linhas de 
controle da ULA de mesmo nome.
● H, OPC, TOS, CPP, LV, SP, PC, MDR e MAR: ativam a 
escrita nos respectivos registradores através do barra-
mento C (múltiplos registradores podem ser escritos 
simultaneamente).
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
R
A
1
F
0
F
1
E
N
A
E
N
B
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N
V
A
I
N
C
H
O
P
C
T
O
S
C
P
P
L
V
S
P
P
C
M
D
R
M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT_ADDRESS
57
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● WRITE: Ordena a escrita na Memória Principal através 
de MAR e MDR;
● READ: Ordena a leitura da Memória Principal através de 
MAR e MDR;
● FETCH: Ordena a busca de instrução na Memória 
Principal através de PC e MBR.
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
R
A
1
F
0
F
1
E
N
A
E
N
B
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N
V
A
I
N
C
H
O
P
C
T
O
S
C
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P
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S
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P
C
M
D
R
M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT_ADDRESS
58
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
O Sequenciador
● É o componente da UC responsável por determinar a 
sequência de operações necessárias para a execução 
de uma única instrução ISA.
● Deve produzir dois tipos de informação a cada ciclo:
● O estado de cada sinal de controle no sistema
● feito por intermédio do conjunto Memória de Controle + MIR;
● O endereço da próxima microinstrução a ser executada
● determinado por um circuito dedicado, tendo como base os 
sinais fornecidos pelo CdD (MBR, N e Z) e os campos 
NEXT_ADDRESS e JAM do Registrador de Microinstruções.
59
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
O Apontador de Microprograma
● Assim como no endereçamento da memória de progra-
ma, o endereçamento da memória de microprograma 
também requer um registrador para conter o endereço 
da próxima microinstrução a ser buscada:
● MPC: MicroProgram Counter (9 bits).
● O MPC é um registrador sensível a nível alto, isto é, os 
valores colocados em suas entradas são copiados 
quando o clock da máquina está em “1”, ao contrário dos 
demais registradores do sistema cuja carga é feita na 
transição de subida do clock.
● A saída do MPC alimenta diretamente a porta de 
endereços da Memória de Controle.
60
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Modo de Operação do Sequenciador
● Consiste basicamente em determinar o próximo valor de 
MPC. Pode ser representada pelo algoritmo:
Se (JAMN = 1)
 MPC[8] = NEXT_ADDRESS[8] OR N
Se (JAMZ = 1)
 MPC[8] = NEXT_ADDRESS[8] OR Z
Se (JAMN = 1 ou JAMZ = 1)
 MPC[8] = NEXT_ADDRESS[8] OR N OR Z
Se (JMPC = 1)
 MPC[0..7] = NEXT_ADDRESS[0..7] OR MBR[0..7]
Senão
 MPC[0..7] = NEXT_ADDRESS[0..7]
Bit de 
mais 
alta 
ordem
Bits 
inferi-
ores
61
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● A função “Bit de mais alta ordem”
F = (JAMZ AND Z) OR (JAMN AND N) OR NEXT_ADDRESS[8]
● A função “Bits inferiores”
MPC[0..7] = (MBR[0..7] AND JMPC) OR NEXT_ADDRESS[0..7]
Bit de
mais alta
ordem
N Z
(JAMN, 
JAMN)
ADDR[8]
F (MPC[8])
 
ADDR[0..7]
MPC[0..7]
MBR[0..7] JMPC
62
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Registradores da Unidade de Controle
● Ao contrário do CdD que possui vários registradores, a 
UC do MIC-1 possuí apenas 3, conforme foi visto:
● MIR: MicroInstruction Register – Registrador de micro-
instruções.
● Composto de 36 bits divididos em 6 campos:
● NEXT_ADDRESS, JAM, ULA, C, Mem e B.
● MPC: Micro Program Counter – Contador de Micro 
Programa. Composto de 9 bits.
● Flip-flops N e Z: São registros de 1 bit destinados a 
armazenar o estado da última operação da ULA.
● Tendo definido todos os componentes do nosso proces-
sador podemos visualizar seu diagrama completo.
63
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1
Bit de
mais alta
ordem
 
Z
N
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
R
A
1
F
0
F
1
E
N
A
E
N
B
I
N
V
A
I
N
C
H
O
P
C
T
O
S
C
P
P
L
V
S
P
P
C
M
D
R
M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000000
ULA
 Memória de controle para
armazenar o microprograma
(512 x 36)
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
2
6
8
9
9
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR
SP
Flip-flops
 (1 bit cada)
64
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Representação Modificada do MIC-1
● O diagrama de blocos da microarquitetura do MIC-1 
apresentadoanteriormente corresponde exatamente à 
apresentada pela literatura mais recente (Tanenbaum, 
“Organização Estruturada de Computadores”, 5ªEd.).
● Entretanto, para melhor refletir a estrutura detalhada até 
o momento, uma nova representação será adotada, 
contendo 2 pequenas alterações em relação à original:
● No bloco “Bits inferiores”, a largura do barramento de 
entrada NEXT_ADDRESS e de saída para o MPC será 
de 8 bits e não 9 (correspondendo a b0..b7);
● A conexão entre o bit NEXT_ADDRESS[8] do MIR e o 
bloco “Bit de mais alta ordem” será evidenciada.
65
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 (representação modificada)
Bit de
mais alta
ordem
 
Z
N
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
R
A
1
F
0
F
1
E
N
A
E
N
B
I
N
V
A
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N
C
H
O
P
C
T
O
S
C
P
P
L
V
S
P
P
C
M
D
R
M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000000
ULA
 Memória de controle para
armazenar o microprograma
(512 x 36)
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR
SP
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
66
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Desvio Condicional em Microinstruções
● Porquê tantos artifícios são usados simplesmente para 
determinar o endereço da próxima microinstrução?
●  Eficiência!
● Em instruções de salto condicional comuns normalmente 
é necessário especificar 2 endereços como parâmetro:
 if (u == 10) { // dois endereços de desvio são especificados aqui
 d++; // um endereço implícito associado a esta linha
 u = 0;
 }
 else {
 u++; // e outro a esta linha
 }
67
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● Para tornar o tamanho das microinstruções uniforme 
temos então duas soluções:
● ter dois endereços de desvio por microinstrução 
(desperdício de espaço), ou;
● ter apenas um endereço e determinar o outro com 
base no primeiro.
● No caso do MIC-1 a segunda solução é adotada e o 
endereço de desvio determinado somando-se 0x100 ao 
endereço base. Ex.:
● NEXT_ADDRESS=0x092, JMPC=0, JAMN=0, JAMZ=1;
● MPC poderá assumir dois valores:
● 0x092, se Z=0;
● 0x192, se Z=1.
68
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
● A possibilidade de poder efetuar OR entre MBR e 
NEXT_ADDRESS dá a microinstrução a capacidade de 
executar a próxima instrução ISA armazenada em MBR.
● Normalmente quando JMPC=1, NEXT_ADDRESS é igual 
a 0x000 ou 0x100;
● Consequentemente, o próximo valor de MPC será igual a 
MBR ou MBR + 0x100;
● Em uma utilização típica, MBR contém o opcode de uma 
instrução ISA;
● De fato, a primeira microinstrução do microcódigo 
correspondente a cada instrução ISA é armazenada no 
endereço inicial apontado pelo próprio opcode da 
instrução ISA.
69
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 – Unidade de Controle
Exemplo:
● Execução passo-a-passo da instrução ISA de 
OPCODE=0x03 a partir da microinstrução armazenada 
no endereço 0x001 da memória de controle.
● Obs.: o controle e operação do caminho de dados não 
serão mostrados neste exemplo, apenas os passos 
necessários para executar o desvio.
70
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 (1 - MPC → Memória de Controle)
Bit de
mais alta
ordem
 
Z
N
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
R
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1
F
0
F
1
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E
N
B
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A
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C
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P
C
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S
C
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C
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M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000000
ULA
 000000001
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x03] 
SP
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000000000
000000001 000
100
000000100 000
. . .
. . .
. . .
. . .
000000011 001
0011
71
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 (2 - Memória de Controle → MIR)
Bit de
mais alta
ordem
 
Z
N
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
R
A
1
F
0
F
1
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N
A
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N
B
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P
C
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C
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L
V
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P
P
C
M
D
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M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0011000000000
ULA
 000000001
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x03] 
SP
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000000000
000000001 000
100
000000100 000
. . .
. . .
. . .
. . .
000000011 001
0011
72
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 (3 - MIR → “Sequenciador”)
Bit de
mais alta
ordem
 
Z
N
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
S
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1
F
0
F
1
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N
B
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C
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C
T
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L
V
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M
D
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M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0011000000000
ULA
 000000001
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x03] 
SP
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000000000
000000001 000
100
000000100 000
. . .
. . .
. . .
. . .
000000011 001
0011
73
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 (4 - “Sequenciador” → MPC)
Bit de
mais alta
ordem
 
Z
N
J
M
P
C
J
A
M
N
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A
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Z
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L
8
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0
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1
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M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0011000000000
ULA
 000000011
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x03] 
SP
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000000000
000000001 000
100
000000100 000
. . .
. . .
. . .
. . .
000000011 001
0011
74
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
MIC-1 (5 - Novo MPC → Memória de Controle)
Bit de
mais alta
ordem
 
Z
N
J
M
P
C
J
A
M
N
J
A
M
Z
S
L
L
8
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S
P
P
C
M
D
R
M
A
R
R
E
A
D
F
E
T
C
H
W
R
I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0011000000000
ULA
 000000011
MPC
 
 
MIR - MicroInstructionRegister
Decodificador
4 → 16
MAR
MDR
PC
LV
CPP
TOS
OPC
H
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x03] 
SP
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000000000
000000001 000
100
000000100 000
. . .
. . .
. . .
. . .
000000011 001
0011
75
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
 
4. Temporização
76
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
● Temporização do Caminho de Dados
Saída do 
deslocador 
estabilizada
Início do 
Ciclo 1
Registradores carregados 
instantaneamente do barramento 
C e da memória na transição de 
subida do clock
5
MPC 
disponível 
para escrita
6
Carga de valores 
em H e no 
barramento B
2
Δx
Estabelecimento dos 
valores dos sinais 
que vão alimentar o 
caminho de dados
1
Δw
Operação 
da ULA e do 
deslocador 
3
Δy
Propagação da saída 
do deslocador para 
os registradores
4
Δz
Ciclo 1 Ciclo 2
Nesse momento o novo valor 
armazenado no MPC é 
usado para carregar o MIR 
com a nova microinstrução
7
77
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
● Exemplo: Microinstrução para fazer H=TOS+1;
● Assumindo que todos os registradores estão zerados e 
que o MPC aponta inicialmente para o endereço 0x000 da 
memória de controle.
● A microinstrução deve ativar o registrador TOS para 
leitura:
● MIR.B = 0x07 (0b0111);
● Da mesma forma, H deve ser habilitado para escrita:
● MIR.C.H = 1;
● Todos os demais bits de MIR.C devem ser iguais a zero:
● MIR.C = 0x100 (0b100000000);
● Para incrementar o conteúdo do barramento B em 1, o 
deslocador e a ULA devem receber:
● MIR.ULA = 0x35 (0b00110101);
78
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
● Admitindo que a próxima microinstrução a ser executada 
seja incondicionalmente a que está contida no endereço 
0x001 da memória de controle, temos:
● MIR.NEXT_ADDRESS = 0x001 (0b000000001);
● MIR.JAM = 0x0 (0b000);
● Como nenhuma operação é realizada com a memória:
● MIR.Mem = 0x0 (0b000);
● O conteúdo completo da microinstrução é então:
● MIR = 0b000000001.000.00110101.100000000.000.0111
● obs.: os pontos separam os campos NEXT_ADDRESS, 
 JAM, ULA, C, Mem e B.
79
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
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ordem
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Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
ULA
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x00]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000000000
000000001 000
100
000000100 000
. . .
. . .
. . .
000000011 001
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000000
ΔxΔw Δy Δz
00110101 100000000 000 0111
t < 0:
● Máquina inicializada;
● Registradores zerados;
● MPC aponta para 0x000.
80
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
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ordem
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Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
ULA
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x00]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000
100
000
. . .
. . .
. . .
001
 
X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X XX XXXXXXXXXXXXX
00110101 100000000 000 0111
ΔxΔw Δy Δz
000000000
000000001
000000100
000000011
t = 0:
● Início do ciclo 1.
● MPC é usado para carregar 
MIR com a 1ª microinstrução.
81
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
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ordem
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mento
B
NEXT
ADDRESS
ULA
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x00]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000
100
000
. . .
. . .
. . .
001
 
X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X XX XXXXXXXXXXXXX
00110101 100000000 000 0111
000000000
000000001
000000100
000000011
ΔxΔw Δy Δz
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0111000000001
t = Δw:
● Final do carregamento do MIR
● Os bits na saída do MIR 
tornam-se estáveis.
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
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ordem
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C
H
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Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
ULA
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x00]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000
100
000
. . .
. . .
. . .
001
 
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0111000000001
00110101 100000000 000 0111
000000000
000000001
000000100
000000011
ΔxΔw Δy Δz
t = Δw + Δx:
● Os sinais de controle do 
caminho de dados propagam-
se e tornam-se estáveis.
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
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NEXT
ADDRESS
ULA
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x00]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000
100
000
. . .
. . .
. . .
001
 
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000001
00110101 100000000 000 0111
000000000
000000001
000000100
000000011
t = Δw + Δx + Δy:
● ULA eDeslocador operam;
● As saídas N, Z e do Deslocador 
ficam disponíveis.
ΔxΔw Δy Δz
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0111000000001
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NEXT
ADDRESS
ULA
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x00]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000
100
000
. . .
. . .
. . .
001
 
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000000
00110101 100000000 000 0111
000000000
000000001
000000100
000000011
t = Δw + Δx + Δy + Δz:
● A saída do deslocador chega 
até os registradores através do 
barramento C.
ΔxΔw Δy Δz
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0111000000001
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NEXT
ADDRESS
ULA
 000000000
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x01]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000
100
000
. . .
. . .
. . .
001
 
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000000
00110101 100000000 000 0111
000000000
000000001
000000100
000000011
t = “borda de subida”:
● Registradores carregados com 
o conteúdo do barramento C e 
da memória.
ΔxΔw Δy Δz
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0111000000001
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
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mento
B
NEXT
ADDRESS
ULA
 000000001
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x01]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000
100
000
. . .
. . .
. . .
001
 
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000000
00110101 100000000 000 0111
000000000
000000001
000000100
000000011
t = “intervalo alto do ciclo”:
● MPC é carregado com o 
endereço da próxima 
microinstrução.
ΔxΔw Δy Δz
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0111000000001
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
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 0 0
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A
D
F
E
T
C
H
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I
T
E
Barra-
mento
B
NEXT
ADDRESS
ULA
 000000001
MPC
 
 
MIR - MicroInstruction Register
Decodificador
4 → 16
MAR [0x00]
MDR [0x00]
PC [0x00]
LV [0x00]
CPP [0x00]
TOS [0x00]
OPC [0x00]
H [0x01]
2
2
6
8
8
8
9
4
A BC
Deslocador
3 (Read, Write, Fetch)
3
(Read,
Write,
Fetch)
MBR [0x00] 
SP [0x00]
Flip-flops
 (1 bit cada)
ADDR[8]
...
000
100
000
. . .
. . .
. . .
001
 
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0000000000000
00110101 100000000 000 0111
000000000
000000001
000000100
000000011
t = “borda de descida”:
● Novo MPC é usado para carre-
gar a próxima microinstrução.
● Início do ciclo 2.
ΔxΔw Δy Δz
X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X XX XXXXXXXXXXXXX
88
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
Temporização de Operações com a Memória
● Por razões de simplificação, considera-se que a memó-
ria principal do MIC-1 é capaz de responder, a solicita-
ções de leitura ou escrita, após 1 ciclo de clock.
● Se um registrador de endereço (MAR ou PC) for carre-
gado com o endereço a ser lido no final do ciclo 1 (borda 
de subida), o dado correspondente só estará disponível 
(em MDR ou MBR) no final do ciclo 2.
● Se o dado lido for um opcode na memória de programa, 
ele já poderá ser usado para computar o desvio da próxi-
ma microinstrução (que é feito no intervalo alto do ciclo).
● Caso o dado lido seja um dado na memória de dados, 
ele só poderá ser utilizado no ciclo 3, quando as opera-
ções com os registradores voltam a ocorrer.
89
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
● Exemplo 1: Operação de leitura de um opcode 
na memória principal via PC/MBR:
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
O valor do endereço 
a ser lido é 
carregado no 
registrador PC
1
O opcode lido é 
carregado da porta 
para o registrador 
MBR
4
O opcode lido em MBR 
já pode ser utilizado 
aqui para determinar a 
próxima microinstrução
5
A memória recebe 
o novo endereço a 
ser lido.
2
A memória disponibiliza 
o dado lido na porta do 
registrador MBR.
3
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Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Temporização
● Exemplo 2: Operação de leitura de um dado na 
memória principal via MAR/MDR:
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
O valor do endereço 
a ser lido é 
carregado no 
registrador MAR
1
O dado lido é 
carregado da porta 
para o registrador 
MDR
4
O dado lido em MDR 
pode ser utilizado a 
partir daqui
5
A memória recebe 
o novo endereço a 
ser lido.
2
A memória disponibiliza 
o dado lido na porta do 
registrador MDR.
3
Ciclo da Memória
91
Circuitos Digitais II – Prof. Marcos Zurita
Bibliografia
● Andrew S. Tanenbaum, “Organização 
Estruturada de Computadores”, 5a Ed., 
Pearson, 2006.
● J. L. Hennessy & D. A. Patterson, “Arquitetura 
de Computadores - Uma Abordagem 
Quantitativa”, Editora Campus, 2003.
● Willians Stallings, “Arquitetura e Organização 
de Computadores”, 5ª Edição, Pearson, 2003.
● Albert Paul Malvino, “Microcomputadores e 
Microprocessadores”, McGraw-Hill, 1985.
● Herbert Taub, “Circuitos Digitais e 
Microprocessadores”, Mcgranw-Hill, 1984.
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