AULA_04_CPU

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Processadores e CPU
Aula 04
Turma: Arquitetura de computadores
Professora: Eugênia Cornils
Computador Digital
Consiste em um sistema interconectado de 
processadores, memórias e dispositivos de 
entrada e saída
Memória 
Principal
Disco Impressora
Unid. de 
Controle
Unid. Lógica e 
aritmética
Registradores
Dispositivo de E/S
CPU
Processadores
A CPU (Central Processing Unit - Unidade central 
de processamento) é o cérebro do computador.
Função : executar programas armazenados na 
memória principal buscando instruções, 
examinando-as e executando.
Barramento
Conjunto de fios paralelos que transmite 
endereços, dados e sinais de controle. 
Podem ser internos e externos à CPU
Analogia com estradas, caminhos ...
Elementos da CPU
• Buscar informações na memória 
principal e determinar seu tipo
Unidade de 
Controle
• Efetua operações com Adição e 
AND booleano para executar 
instruções
Unidade 
aritmética e 
lógica
• Armazena resultados 
temporários
• Controla as informações
Memória de 
alta 
velocidade
Como funciona o computador?
Início
Busca a próxima 
instrução
Executa a instrução
Término
Organização da CPU
A + B
A
B
A B
ALU
A+B
Registradores
Registrador 
de entrada da 
ALU
Barramento 
de entrada da 
ALU
Registrador 
de saída da 
ALU
Representação CPU e 
suas conexões
Memória
Dispositivos 
de E/S
PC IR
AC
MAR
MDR
ALU
UNIDADE DE 
CONTROLE
PROCESSADOR
Data bus
Address bus
PC = contador de programa
IR = registrador de instrução
AC= acumulador 
MAR = registrador de memória
MDR = registrador de memória 
de dados
ALU = Unidade de Lógica e 
artimética
Funções dos elementos do 
Processador
PC = contador de programa – indica próxima instrução a ser 
realizada 
IR = registrador de instrução – recebe instrução a ser 
decodificada pela CPU
AC= acumulador – guarda temporariamente valores sendo 
calculados
MAR = registrador de memória- indica a próxima posição de 
memória a ser referenciada. Conectado ao barramento de 
endereço
MDR = registrador de memória de dados – usado para 
receber e transmitir dados
ALU = Unidade de Lógica e aritmética – fazer cálculos e 
decisões lógicas
Execução de instrução
A CPU executa cada instrução em uma série de pequenas 
etapas. Em termos simples, temos as seguintes etapas:
1. Trazer a próxima instrução da memória até o registrador
2. Alterar o contador de programa para indicar a próxima 
instrução
3. Determinar qual o tipo de instrução que foi trazida.
4. Se a instrução usar uma palavra de memória , determinar 
onde está essa palavra.
5. Trazer a palavra para dentro do registrador da CPU, se 
necessário.
6. Executar instrução 
7. Voltar à etapa 1 para executar a instrução seguinte.
Exemplo de instrução em JAVA
PC starting address;
While (run_bit){
Instr = memory[PC];
PC=PC+1;
Instr_type = get_instr_type (instr);
Data_loc = find_data (instr, instr_type);
If (data_loc>=0)
Data = memory[data_loc];
Execute (instr_type, data);
} 
Como um programa é 
executado?
Busca instrução
Decodifica instrução
Busca operando
Executa instrução
Armazena resultado
Memória
CPU
memória
CPU
memória
Exemplo
/* programa que repete uma sequencia de adições de três sinais de 
entrada (a+b+c) e mostra o resultado (z= a+b+c)
Programa: 
CLRLD /* zera o acumulador Y e Z e carrega o valor de A em X
ADD / * ADD 1◦ valor, guarda o resultado e ler novo valor 
ADD / * ADD 2◦ valor, guarda o resultado e ler novo valor 
ADD / * ADD 3◦ valor, guarda o resultado e ler novo valor 
DISP Sigal / * mostra resultado e repete cálculo em Z
Uma unidade de controle que implemente esse programa?
Qa Sigad Qb/CLRLD
Qb Qc/ ADD
Qc Qd/ ADD 
Qd Qe/ ADD
Qe Qa/ ADD X +
Y
Z
Controle
A
Ty
Tx
Tz
clk
Exemplo
Qa Sigad Qb/CLRLD
Qb Qc/ ADD
Qc Qd/ ADD 
Qd Qe/ ADD
Qe Qa/ ADD
X +
Y
Z
Controle
A
Tx
Ty
Tz
clk
A=a
Y= -
X=-
Z=-
Ty=0
Tx=1
Tz =0
CLRLD
A=b
Y= 0
X=a
Z=0
Ty=1
Tx=1
Tz =2
ADD
A=c
Y= a
X=b
Z=0
Ty=1
Tx=1
Tz =2
ADD
A=-
Y= a+b
X=c
Z=0
Ty=1
Tx=1
Tz =2
ADD
A=-
Y= a+b +c
X=b
Z=0
Ty=1
Tx=1
Tz =2
DISP
A=-
Y=-
X=-
Z= a+b +c
CLK
Qa Qb Qc Qd Qe Qa
T
[0] = clear
[1] = load
[2] = hold
Exemplo de formato de dados e 
instruções
o DADO
0 15
o INSTRUÇÃO
0 153 4
Opcode Endereço
Sinal Magnitude
RISC versus CISC
CISC (Complex Instruction Set 
Computer, ou "computador 
com um conjunto complexo 
de instruções"), é capaz de 
executar várias centenas de 
instruções complexas 
diferentes, sendo 
extremamente versátil. 
Exemplos de processadores 
CISC são o 386 e o 486.
RISC (Reduced Instruction Set 
Computer, ou "computador 
com um conjunto reduzido 
de instruções"). Ao contrário 
dos complexos CISC, os 
processadores RISC são 
capazes de executar apenas 
algumas poucas instruções 
simples.
RISC
Maior 
Velocidade
Menor 
complexidade
Menos 
instruções
RISC
•Menor Quantidade de Instruções e 
Tamanho Fixo 
• Execução Otimizada de Chamada 
de Funções 
• Menor Quantidade de Modos de 
Endereçamento 
•Modo de Execução com Pipelining
RISC
Ao invés da vitória de uma das duas 
tecnologias, atualmente vemos 
processadores híbridos, que são 
essencialmente processadores CISC, 
mas incorporam muitos recursos 
encontrados nos processadores RISC 
(ou vice-versa).
Princípios do projeto RISC
1. Todas as instruções são executadas 
diretamente pelo hardware
Princípios do projeto RISC
2. Maximize a taxa de execução de 
instruções
Princípios do projeto RISC
3. Instruções fáceis de decodificar
Princípios do projeto RISC
4. Somente as instruções LOAD e 
STORE devem referenciar a memória, 
todas as outras devem operar 
somente em registradores da CPU
Princípios do projeto RISC
5. Providenciar bastantes registradores
Paralelismo
Melhorar o 
desempenho
Aumentar a 
velocidade 
do relógio 
Paralelismo
Paralelismo – fazer duas ou mais coisas ao 
mesmo tempo
Paralelismo 
• Paralelismo no nível de instrução –
capacidade de processar várias 
instruções simultaneamente
• Paralelismo no nível de 
processador – CPU trabalhando 
juntas no mesmo problema. 
Pipelining
Antes
• Gargalo da busca de informações na memória
1959 
• IBM Strech buscava memórias antecipadamente e 
armazenava no buffer de memória
Pipeline
• Divide em busca e execução
• Divide em muitas partes entre o hardware do computador 
as buscas e execuções para melhorar a velocidade 
Pipeline – nível de instrução
Unidade 
de busca 
de 
instrução
Unidade de 
decodificaç
ão de 
instrução
Unidade de 
busca de 
operando
Unidade de 
execução 
de 
instrução
Unidade de 
gravação 
S1 S2 S3 S4 S5
Pipelines duplos – nível de 
instrução
Unidade 
de busca 
de 
instrução
Unidade de 
decodificaç
ão de 
instrução
Unidade de 
busca de 
operando
Unidade de 
execução 
de 
instrução
Unidade de 
gravação 
S1 S2 S3 S4 S5
Unidade 
de busca 
de 
instrução
Unidade de 
decodificaç
ão de 
instrução
Unidade de 
busca de 
operando
Unidade de 
execução 
de 
instrução
Unidade de 
gravação 
Breve comentário
• Demanda por computadores cada vez mais rápidos parece 
insaciável
• Astrônomos querem modelar o que ocorreu após o big bang, 
economistas querem modelar a economia mundial e adolescentes 
se divertir com jogos de multimídia pela internet.
• CPU estão cada dia mais rápidas porém haverá um momento queelas terão problemas com a velocidade de processamento pode 
ser num trecho de 20 cm /nanossegundo em fio de cobre ou fibra 
ótica , não importando a inteligência dos engenheiros da intel .
• Chips mais velozes também produzem mais calor, cuja dissipação é 
um problema
Paralelismo de CPU
• O paralelismo de instruções pode 
gerar ganhos de redem um fator de 
cinco ou dez vezes mais rapidez
• No paralelismo de várias CPU´s
podem ser obtidos ganhos de 50, 
100 ou mais 
Paralelismo de CPU
• Computadores matriciais 
• Multiprocessadores
• Multicomputadores
Reunir em grupos de 5 e resumir 
como funciona cada um.
FIM