Unidade Central de Processamento Sistemas Digitais CIn-UFPE

Como funciona um computador simples IR – Instruction Register PC – Program Counter MAR – Memory Address Register MBR – Memory Bus Register Vídeo Teclado Memória Programas + Dados E/S Buffers ALU PC IR Gerais MAR MBR Unid. processamento Unid. controle

Como funciona um computador? Início Busca a próxima instrução Executa a instrução Término

Executando um programa Busca instrução Executa instrução Busca operando Decodifica instrução Armazena resultado Incrementa PC

Exemplo - Simple statements /* Programa que repete uma seqüência de adições de três sinais de entrada (a+b+c) e mostra o resultado (z = a=b+c) Sigad: CLRLD /* Clear acumulador Y, Z e carrega valor de A em X ADD /*ADD 1o. valor, guarda resultado e lë novo valor ADD /*ADD 2o .valor, guarda resultado e lë novo valor ADD /*ADD 3o .valor, guarda resultado DISP Sigad /*mostra resultado e repete cálculo em Z Como construir uma unidade de controle que implemente este programa? Estado Estado/saída QA Sigad: QB/CLRLD QB QC/ADD QC QD/ADD QD QE/ADD QE QA/DISP Y saída Tx entrada Z A X + Tz Ty clk controle

Z = a+b+c Y Z + X Q B ADD A=b Y=0 X=a Z=0 A = b a Q C ADD A=c Y=a X=b Clk Y saída QA Sigad: QB/CLRLD QB QC/ADD QC QD/ADD QD QE/ADD QE QA/DISP Q B ADD A=b Y=0 X=a Z=0 Ty=1 Tx=1 Tz=2 A = b a Q C ADD A=c Y=a X=b Z=0 Ty=1 Tx=1 Tz=2 A = c b a Q D ADD A=- Y=a+b X=c Z=0 Ty=1 Tx=1 Tz=2 A = - c a+b A = a - Q E A=- Y=a+b+c X=- Z=0 Ty=0 Tx=0 Tz=1 DISP A = - - a+b+c A=- Y=- X=- Z= a+b+c Q A A = - - a+b+c Ty Z entrada X + Tz Q A CLRLD A=a Y=- X=- Z=- Ty=0 Tx=1 Tz=0 Tx controle Clk T [0] = clear [1] = load [2] = hold Clk

X = -; Y= a+b+c; Z =a+b+c; Execução de um progama memória Y + X controle Tx Ty Z Tz entrada A clk saída cpu memória memória Contador de programa cpu Inst |dados memória Memória: Instruções end(dados) Contador do Programa (PC) cpu Z = a + b + c 00 CLRD end+0(a) X = a; Y=0; Z=0; X = -; Y=-; Z=-; 01 ADD end+1(b) X = b; Y=a; Z=0; 02 ADD end+2(c) X = c ; Y= a+b; Z =0; 03 ADD - X = -; Y= a+b+c; Z =0; X = -; Y= a+b+c; Z =a+b+c; 04 DISP - 05 - ------- Instruções end (dados)

Memória Dado Instrução sinal magnitude 15 3 Opcode Endereço 4 Opcode 15 sinal magnitude Instrução 15 3 Opcode Endereço 4 Opcode

Executando um programa Memória Opcode | endereço dados Registradores da CPU 1 9 4 0 3 0 0 3 0 0 PC (endereço) 3 0 1 5 9 4 1 AC (operando) 3 0 2 2 9 4 1 1 9 4 0 IR (Instrução) ... 9 4 0 0 0 0 3 0 0 0 2 9 4 1

Executando um programa Memória Opcode | endereço dados Registradores da CPU 1 9 4 0 3 0 0 3 0 0 PC 3 0 1 5 9 4 1 0 0 0 3 AC 3 0 2 2 9 4 1 1 9 4 0 IR ... 9 4 0 0 0 0 3 0 0 0 2 9 4 1

Executando um programa Memória Opcode | endereço dados Registradores da CPU 1 9 4 0 3 0 0 3 0 1 PC 3 0 1 5 9 4 1 0 0 0 3 AC 3 0 2 2 9 4 1 5 9 4 1 IR ... 9 4 0 0 0 0 3 0 0 0 2 9 4 1

Executando um programa Memória Opcode | endereço dados Registradores da CPU 1 9 4 0 3 0 0 3 0 1 PC 3 0 1 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 3 0 2 2 9 4 1 5 9 4 1 IR ... 9 4 0 0 0 0 3 0 0 0 2 9 4 1

Executando um programa Memória Opcode | endereço dados Registradores da CPU 1 9 4 0 3 0 0 3 0 2 PC 3 0 1 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 3 0 2 2 9 4 1 2 9 4 1 IR ... 9 4 0 0 0 0 3 0 0 0 2 9 4 1

Executando um programa Memória Opcode | endereço dados Registradores da CPU 1 9 4 0 3 0 0 3 0 2 PC 3 0 1 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 3 0 2 2 9 4 1 2 9 4 1 IR ... 9 4 0 0 0 0 3 0 0 0 5 9 4 1

Arquitetura do computador Dispositivo de entrada e saída(E/S) Memória Processor Memory Input/Ouput PC IR AC MAR Address Bus Data Bus MDR ALU PC = Program counter IR = Instruction register AC = Acumulador MAR = Memory Address Register MDR = Memory Data Register ALU = Arithmetic & Logic Unit Control Unit

Arquitetura do computador PC - program counter – indica a próxima instrução a ser executada. IR - Instruction register – recebe a instrução a ser decodificada pela CPU. AC – Acumulador (registrador auxiliar). Guarda temporariamente valores sendo calculados. MAR – Registrador que indica a próxima posição de memória a ser referenciada. Conectado ao barramento de endereços. MDR – Registrador usado para receber ou transmitir dados. Conectado ao barramento de dados. ALU (ULA) – Unidade Lógica

Instruções básicas Formato da instrução do computador

CPU - P1 Conjunto de instruções básicas Exemplo de um programa no P1: A = B+C A (acumulador), B e C são endereços de memória Assembly Language MachineLanguage LOAD B 0211 ADD C 0012

CPU - P1 Fluxo de execução de instruções

CPU - P1 Fluxo de execução de instruções detalhada

1. 2. PC Load address AC<- conteúdo do endereço de memória A = B+C A (acumulador), B e C são endereços de memória Assembly Language MachineLanguage LOAD B 0211 ADD C 0012 CPU - P1 02 11 00 12 00 03 00 04 Opcode address PC 00 04 1. 2. 00 07 00 LOAD B 02 11 00 07 00 04 02 11 00 03 00 12 00 04 01 ADD C 00 12 01 01 12 12 11 01 12 01 11 Load B 1. 2. ADD C 00 12 00 03 00 04 02 11 Load address AC<- conteúdo do endereço de memória

Figure 8.12 MIF file containg mP 1 Computer Program.

Figure 8.13 Simulation of the Simple mP 1 Computer Program.

Projetos Calcular a média aritmética de três números previamente colocados na memória da CPU e mostrar o resultado no display. Comparar elementos de um array (5 elementos), colocando o maior deles numa variável "resultado“ e no display. Os resultados das operações devem ser enviados para o display (dispositivo de saída do sistema) Dispositivo de I/O Entrada Saída Decoder BCD 7-Segm. 4 reset b a c d e f g 4 clk CPU - mP 1 programa

Arquitetura/plataforma de prototipação CPU Decodificador Memória Driver Driver Controle dos motores Motor 1 Motor 2 Robô Motor 1 Motor 2