Organização de Computadores

1. Organização de Computadores Unidade Central de Processamento - CPU Carlos Sampaio ccsampaio@hotmail.com Atualizado a partir do original do Prof. Rodrigo Cavalcanti

2. CPU • Unidade Central de Processamento • Objetivos • Conhecer em mais detalhes a organização interna de uma CPU • Introdução • É o componente do sistema de computação responsável por comandar a realização de qualquer operação executada por um computador. • Comanda operações de: • Processamento • Controle

3. CPU Unidade de Controle Unidade Logica e Aritimética (ULA) Dispositivos de E/S Memória Principal Disco Impressora Registradores Barramento

4. CPU • Unidade Central de Processamento – UCP (Central ProcessingUnity – CPU) • “Cérebro” do Computador; • Função:  executar os programas armazenados na memória principal. O processador busca cada instrução na memória, examina-a e executa uma após outra.

5. CPU • Operações realizadas pela UCP • Processamento • Operações aritméticas e lógicas; • Movimentação de dados; • Desvios; • Operações de entrada ou saída; • Controle • Busca, interpretação e controle da execução das instruções; • Controle da ação dos demais componentes do sistema de computação (memória, entrada/saída).

6. CPU • CPU - Componentes fundamentais • Unidade de Controle (UC) • Unidade Aritmética e Lógica (UAL ou ULA) • Registros (Registradores) • Sistemas de Comunicação (Barramentos)

7. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Processamento • Se encarrega de realizar as atividades relacionadas com a efetiva execução de uma instrução. • Função Controle • Se encarrega das atividades de busca (1), interpretação (2) e controle da execução (3) das instruções de um programa; • Também controla a ação dos demais componentes do sistema de computação (memória e dispositivos de entrada/saída).

8. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Processamento • Entre as atividades comuns a esta função estão: • Operações aritméticas (somar, subtrair, multiplicar, dividir) • Operações lógicas (and, or, etc.) • Movimentação de dados (memória – CPU, CPU – memória, registrador – registrador) • Desvios (alteração da seqüência de execução das instruções) • Operações de entrada ou saída. • Essas operações, e os endereços dos dados que elas manipulam, têm que estar representadas em instruções de máquina. • Instrução de máquina é uma seqüência de bits que formaliza uma determinada operação a ser realizada pelo processador.

9. Código da Operação Campo(s) de Operando(s) CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Processamento • A instrução de máquina, portanto, consiste em: • Um grupo de bits que identifica a operação a ser executada; • Outro grupo de bits que permite identificar os endereços dos dados que serão manipulados pela operação. • Um programaexecutável, portanto, é constituído de um conjunto de instruções de máquina seqüencialmente organizadas.

10. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Processamento • Para que a execução do programa tenha início é necessário que: • As instruções a serem executadas estejam armazenadas em células sucessivas na MP; • O endereço da 1a instrução do programa esteja armazenado na CPU para que a mesma possa buscá-la na memória. • Componentes relacionados com a função processamento • ULA – Unidade Lógica e Aritmética • Registradores de Propósito Geral.

11. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Processamento • ULA – Unidade Lógica e Aritmética • Dispositivo da CPU que executa realmente as operações matemáticas com os dados. • Soma, multiplicação, divisão, subtração • Operação lógica AND, OR • Incremento, decremento

12. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Processamento • Registradores de Propósito Geral • Memória específica da CPU para armazenamento de dados e informações • Para que um dado possa ser transferido para a ULA é necessário que ele esteja armazenado em um registrador • O resultado de uma operação lógica ou aritmética realizada na ULA também é temporariamente armazenado em um registrador • Têm o tamanho de uma palavra

13. CPU • Funções realizadas pela CPU • Esquema da CPU

14. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Entre as atividades comuns a esta função estão: • Busca da instrução que será executada, armazenando-a em um registrador. • Interpretação das ações a serem desencadeadas com a execução da instrução. • Geração dos sinais de controle enviados aos diversos componentes do sistema para ativar a execução da instrução.

15. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Componentes relacionados com a função controle • UC – Unidade de Controle. • Relógio (Clock). • RI – Registrador de Instrução. • CI – Contador de Instrução. • Decodificador de instruções. • REM – Registrador de Endereços de Memória. • RDM – Registrador de Dados de Memória.

16. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • UC - Unidade de Controle • Parte da CPU responsável pela busca, interpretação e controle de execução das instruções, e o controle dos demais componentes do computador; • Envia ordens de cálculo para a ULA, que indica os valores a processar, e os coloca nos registradores para esse efeito. • A partir da UC a informação é transferida para as outras partes que constituem o computador, como a memória, os sistemas de E/S, etc..

17. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Relógio • É o dispositivo gerador de pulsos elétricos que faz com que a UC possa emitir sinais de controle, em vários instantes de tempo de duração fixa e igual, durante o período de realização de um ciclo de instrução. • A duração de um pulso chama-se de ciclode relógio. • A quantidade de vezes em que um pulso se repete por segundo define a freqüência de operação do relógio. • A freqüência do relógio é usada para definir a velocidade em Hertz (Hz) da CPU. • Exemplo: 400 MHz

18. CPU • Multiplicador de Clock (computadores Modernos) • Muitos dispositivos interconectados; • Varias velocidades de operação; • Utilização de Buffers na comunicação no barramento interno; • Exemplo: • Intel 80486DX2 (clock dobrado) • 50, 66 MHz em processadores de 25 e 33 MHz • Barramento externo de dados/endereços (FSB – Front Side Bus) • Fator de multiplicação de CPU

19. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Relógio • O período de tempo de duração de um ciclode relógio é o inverso da freqüência • Exemplo: T = 1 / 400 MHZ = 2,5 ns • O ciclode relógio está relacionado à realização de uma microoperaçãodurante um ciclo de instrução. • Pergunta: Em um computador com os seguintes parâmetros de CPU: FSB = 266 MHz e Fator de Multiplicação FP = 6x • Qual a freqüência operacional da CPU? • Quanto tempo dura um ciclode relógio ? ≈1,6 GHz ≈ 625 ps

20. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Registradores • Função: armazenamento de dados e resultados que serão usados pela ULA; • Servem de memória auxiliar básica para a ULA; • Classificação (atual): • Registradores de uso geral • Registradores de uso específico • Em geral, os registradores de dados da UCP têm uma largura (quantidade de bits que podem armazenar) igual ao tamanho estabelecido pelo fabricante para a palavrado referido processador. • A quantidade e o emprego dos registradores variam bastante de modelo para modelo de CPU.

21. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Barramentos • Conjunto de fios paralelos que permite a transmissão de dados, endereços, sinais de controle e instruções • Tipos: • Existem barramentos internos e externos ao processador

22. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Registradores • Em função de estarem dentro do processador, podem ser lidos e escritos a uma velocidade bastante alta. • RI – Registrador de Instrução • Armazena a instrução sendo executada pela CPU. • CI – Contador de Instrução • Armazena o endereço da próxima instrução a ser executada. • Após a busca de uma instrução, automaticamente o CI armazenará o endereço da próxima instrução.

23. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Registradores eBarramentos • Decodificador de Instrução • Dispositivo utilizado para identificar que operação será realizada. • RDM – Registrador de Dados da Memória • Armazena temporariamente o conteúdo de uma ou mais células que estão sendo transferidas da MP para a CPU em uma operação de leituraou da CPU para a MP em uma operação de escrita. • Barramento de Dados • Meio de transmissão que interliga o RDMà MP, para transferência de informações entre CPUe MP; • É bidirecional, os dados podem percorrer o caminho CPU  MP em uma operação de escrita, ou o caminho inverso em uma leitura.

24. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Registradores eBarramentos • REM – Registrador de Endereço de Memória • Armazena temporariamente o endereço de acesso a uma posição de memória, ao se iniciar uma operação de leitura ou de escrita. • Barramento de Endereços • Meio de transmissão que interliga o REM à MP, para transferência de endereços de memória. É unidirecional, pois somente a CPU aciona a MP para realização de operações de leitura ou escrita.

25. CPU • Funções realizadas pela CPU • Função Controle • Barramentos • Barramento de Controle • Meio de transmissão que interliga a UCà MP, para passagem de sinais de controle durante operações de leitura (READ) ou escrita (WRITE). É bidirecional, pois a CPU envia sinais de controle para a MP para realização de operações de leitura ou escrita e, a MP pode enviar sinais do tipo WAIT para a CPU aguardar o término de uma operação.

26. Dúvidas ?