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

CPU Unidade Central de Processamento Objetivos Introdução 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

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

CPU Unidade Central de Processamento – UCP (Central Processing Unity – 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.

CPU Operações realizadas pela UCP Processamento Controle 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).

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

CPU Funções realizadas pela CPU Função Processamento Função Controle 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).

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.

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 programa executável, portanto, é constituído de um conjunto de instruções de máquina seqüencialmente organizadas. Código da Operação Campo(s) de Operando(s)

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.

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

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

CPU Funções realizadas pela CPU Esquema da CPU

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.

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.

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..

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 ciclo de 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

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

CPU Funções realizadas pela CPU Função Controle Relógio O período de tempo de duração de um ciclo de relógio é o inverso da freqüência Exemplo: T = 1 / 400 MHZ = 2,5 ns O ciclo de relógio está relacionado à realização de uma microoperação durante 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 ciclo de relógio ? ≈1,6 GHz ≈ 625 ps

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 palavra do referido processador. A quantidade e o emprego dos registradores variam bastante de modelo para modelo de CPU.

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

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.

CPU Funções realizadas pela CPU Função Controle Registradores e Barramentos 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 leitura ou da CPU para a MP em uma operação de escrita. Barramento de Dados Meio de transmissão que interliga o RDM à MP, para transferência de informações entre CPU e MP; É bidirecional, os dados podem percorrer o caminho CPU  MP em uma operação de escrita, ou o caminho inverso em uma leitura.

CPU Funções realizadas pela CPU Função Controle Registradores e Barramentos 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.

CPU Funções realizadas pela CPU Função Controle Barramentos Barramento de Controle Meio de transmissão que interliga a UC à 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.

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