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1 Campus Capivari Análise e Desenvolvimento de Sistemas (ADS) Prof. André Luís Belini /
2 MATÉRIA: ICO Aula N : 09 Tema: Unidade Central de Processamento Tópico do Plano de Ensino: 11 e 12 Metodologia: Aula expositiva, vídeos relacionados à disciplina, atividades em grupo.
3 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE UCP A UCP, ou Unidade Central de Processamento ou ainda CPU (Central Process Unit), tem um papel fundamental no funcionamento do sistema de computador. Ele é o responsável pela atividade fim do sistema, isto é, computar, calcular, processar. Cada vez mais a tecnologia avança na área dos processadores.
4 LINHA DO TEMPO - PROCESSADORES A cada novo lançamento de um processador um dos pontos que aumenta significativamente é a quantidade transistores embutidos na sua pastilha.
5 LINHA DO TEMPO - PROCESSADORES 8088 (1979) transistores 286 (1982) transistores 386 (1985) transistores 486 (1989) transistores Pentium (1993) transistores Pentium MMX (1997) transistores Pentium II (1998) transistores Pentium III (1999) transistores Pentium 4 (2000) transistores
6
7 NOVA GERAÇÃO DE PROCESSADORES
8 FUNÇÕES DA UCP É responsável pela realização de qualquer operação realizada por um computador. Um processador tem, por propósito, realizar operações com os dados (chamadas de processamento) normalmente numéricos. Interpreta o tipo de operação que irá executar (soma, subtração, etc)
9 FUNÇÕES DA UCP A UCP não somente realiza o processamento (executa a operação com os dados), como também controla todo o funcionamento do sistema. Busca a descrição da operação a ser realizada chamada instrução; interpreta que tipo de operação deverá ser realizado; localiza e busca os dados que serão processados e assim por diante.
10 OPERAÇÕES PRIMITIVAS Todo processador é construído de modo a ser capaz de realizar algumas operações primitivas, tais como: somar, subtrair, mover um dado de um local de armazenamento para outro, transferir um valor (dado) para um dispositivo de saída, etc. Todas essas operações são representadas por uma forma inteligível pelo sistema: 0s e 1s.
11 INSTRUÇÃO DE MÁQUINA Instrução de Máquina é a sequência de 0s e 1s que formaliza uma determinada operação a ser realizada pelo processador. A execução de um programa executável é uma sequência de instruções de máquina, organizados de forma sequencial. Passos para a execução de um programa: 1. as instruções a serem executadas devem estar armazenadas em células sucessivas, na MP. 2. o endereço da primeira instrução do programa deve estar armazenada na MP para que o processador possa buscá-la
12 CICLO DE INSTRUÇÃO 1. Buscar uma instrução na memória; 2. Interpretar que operação a instrução está explicitando; 3. Buscar os dados onde estiverem armazenados; 4. Executar efetivamente a operação e guardar o resultado no local definido na instrução; 5. Reiniciar o processo buscando uma nova instrução
13 Fluxo de um ciclo de instrução
14 FUNÇÕES REALIZADAS PELA UCP Dividem-se em duas grandes categorias: Função de processamento Função de controle
15 PROCESSO SEQUENCIAL E PIPELINING Processo sequencial ou serial: é aquele em que cada atividade do ciclo de instrução é realizada em sequência a anterior. É um processo lento e pouco eficiente. Pipelining : é aquele em que o processador se divide em várias partes funcionais distintas (estágios), cada um correspondendo a uma determinada atividade. (Comparado a uma linha de montagem)
16 FUNÇÃO PROCESSAMENTO Processar um dado é executar com ele uma ação que produza algum tipo de resultado. As tarefas da função de processamento são: 1. Operações aritméticas 2. Operações lógicas 3. Movimentação de dados na memória 4. Desvios 5. Operações de entrada ou saída
17 UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA (ULA) É o principal dispositivo da UCP, responsável pela execução das tarefas acima descritas. Também estão relacionados a essa tarefa: Registradores: servem para armazenar os dados que serão usados pela UAL. Essa interligação entre os componentes é feita pelo barramento interno da UCP
18 ULA
19 UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA (ULA) Qualquer ULA é um aglomerado de circuitos lógicos e componentes eletrônicos simples que, integrados, realizam as operações já mencionadas. Ela pode ser uma pequena pastilha do processador, usada em pequenos sistemas, ou pode compreender um considerável conjunto de componentes lógicos de alta velocidade, sendo que os processadores mais modernos utilizam em sua arquitetura mais de uma ULA, de modo a tornar a execução das instruções mais rápida
20 REGISTRADORES Para que um dado possa ser transferido da ULA, é necessário que ele permaneça, mesmo que por um breve instante, armazenado num registrador. Da mesma forma, o resultado de uma operação aritmética ou lógica, realizada pela ULA, também deve ser armazenada temporariamente (no registrador) para ser então utilizada por outra instrução.
21 ACUMULADOR ACC Acumulador (abrevia-se em inglês, ACC). Usado em processadores mais antigos, era um registrador especial. Além de armazenar dados, servia também de elemento de ligação da ULA com o restante dos dispositivos da UCP. Desapareceu com o surgimento da segunda geração de processadores (8086/8088) e optou-se por inserir no processador registradores especializados no armazenamento de dados, de endereços e de segmentos.
22 Em geral, os registradores de dados da UCP têm uma largura igual ao tamanho estabelecido pelo fabricante para a palavra do referido processador. Os processadores Pentium, que são da sexta geração, possuem palavra de 32 bits e 8 registradores de mesmo tamanho, além disso, possuem também 6 registradores de 16 bits denominados registradores de segmento, que funcionam para o cálculo dos endereços de acesso a memória na execução de programas
23 OUTROS TIPOS DE REGISTRADORES Além dos registradores de dados, a UCP possui outros registradores, que não participam diretamente do processamento, são eles: RI Registrador de Instruções CI Contador de Instruções PC Program Counter (mesma função do CI)
24 REGISTRADORES ESPECIAIS DE ESTADO PSW Program Status Word ou Palavra de Estado do Programa. Esses registradores auxiliam e completam a realização das operações matemáticas realizadas pela UAL, indicando o estado de vários elementos referentes a operação em si.
25 Esse registrador se comporta de forma diferente aos demais, pois, em vez de armazenar dados de forma integral, isto é, um único valor, ele se divide em bits que possuem significado diferente, um por um.
26 BITS DE ESTADO Sinal: contém o sinal resultante da última operação aritmética realizada pelo processador; Overflow: quanto setado (=1) indica que a última operação aritmética realizada resultou em estouro do valor, ou seja, um erro. Zero: quando setado (=1) indica que a última operação aritmética realizada resultou no valor zero
27 BITS DE ESTADO Vai 1 (Carry): indica que ocorreu vai 1 para o bit mais a esquerda na última operação de soma realizada. Pode indicar, também, overflow em operações com números sem sinal; Paridade: é setado (=1) ou não (=0), dependendo da quantidade de bits 1 no byte recebido (será melhor entendido no próximo capítulo)
28 TAMANHO DA PALAVRA A capacidade de processamento de uma UCP é em grande parte determinada pelas facilidades embutidas no hardware da UAL para realizar operações matemáticas projetadas. Um dos elementos fundamentais para isso é a definição do tamanho da palavra da UCP.
29 TAMANHO DA PALAVRA No projeto de uma UCP, a definição do tamanho da palavra tem enorme influência no desempenho global de toda a UCP e, por conseguinte, do sistema como um todo. São algumas: A. Influência ou desempenho devido ao maior ou menor tempo na execução B. Influência no desempenho devido ao tamanho escolhido para o barramento interno e externo da UCP. C. Influência também na implementação física do acesso à memória. A capacidade das memórias é medida em bytes e o movimento de dados entre UCP e memória é normalmente medidas em palavras.
30 FUNÇÃO CONTROLE Conforme já citado, toda instrução de máquina que compõem um programa em execução deve estar armazenada sequencialmente na memória principal. A área de controle de uma UCP é a parte funcional que realiza (uma etapa de cada vez, em sistemas sequenciais, ou várias etapas simultaneamente, em sistemas de execução pipelining) as atividades de:
31 FUNÇÃO CONTROLE A. busca da instrução que será executada, armazenando-a em um registrador especialmente projetado para esta finalidade; B. interpretação das ações a serem desencadeadas com a execução da instrução (se é soma, uma subtração, uma complementação, etc). São também chamadas de fetch cycle ou ciclo de busca. C. geração dos sinais de controle apropriados para ativação das atividades requeridas para a execução propriamente dita da instrução identificada. Essa etapa é chamada de execute cycle ou ciclo de execução da instrução
32 A UNIDADE DE CONTROLE É o dispositivo mais complexo da UCP. Possui a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e de instruções de e para a UCP, através de sinais de controle que emite em instantes de tempos programados. Os sinais de controle, emitidos pela UC, ocorrem em vários instantes durante o período de realização de um ciclo de instrução e, de modo geral, todos possuem uma duração fixa e igual, originada em um gerador de sinais denominado relógio (clock)
33 A UNIDADE DE CONTROLE Microeventos ou microoperações comandadas pelo funcionamento da UC podem ser iniciados segundo um dos princípios de arquitetura: a) Por microprogamação b) Por programação prévia diretamente no hardware c) O início de um ciclo de instrução consiste em buscar (fetch) a referida instrução e trazer uma cópia sua da MP para o processador
34 O RELÓGIO (CLOCK) É o dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo. Frequência é a quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em um segundo. Usado para definir a velocidade da UCP. Ciclo de Relógio ou Ciclo de Máquina é o intervalo entre o início de um pulso e o início do seguinte.
35 O RELÓGIO (CLOCK) Este ciclo está relacionado à realização de uma operação elementar. Uma operação elementar pode não se realizar num só ciclo, por essa razão, costuma-se dividir os ciclos em subciclos. A unidade de medida utilizada para a frequência dos relógios de UCP é o hertz (Hz), que significa 1 ciclo por segundo. Por trabalhar com medidas muito elevadas, utilizamos os múltiplos, como o Megahertz (MHz).
36 O RELÓGIO (CLOCK) Por exemplo, dizer que um processador funciona a 25 Mhz, significa que ele é capaz de oscilar 25 milhões de vezes por segundo.
37 DEFINIÇÕES IMPORTANTES Registrador de Instrução (RI) é o registrador que tem a função específica de armazenar a instrução a ser executada pela UCP. Contador de Instrução (CI) é o registrador que tem a função de armazenar o endereço da próxima instrução a ser realizada.
38 DEFINIÇÕES IMPORTANTES Decodificador de Instrução é o dispositivo que identifica que operação será realizada, correlacionada à instrução cujo código de operação foi decodificado. Registrador de Dados de Memória (RDM) e Registrador de Endereço de Memória (REM) São utilizados pela UCP e memória para comunicação e transferência de informações.
39 DEFINIÇÕES IMPORTANTES Em geral, o RDM possui um tamanho igual ao do barramento de dados, que por sua vez, possui usualmente a largura múltipla do tamanho da palavra do processador. O REM possui tamanho igual ao dos endereços da memória.
40 INSTRUÇÃO DE MÁQUINA Uma instrução de máquina deve conter instruções ou operações básicas (primitivas) que o hardware é capaz de realizar diretamente. Do ponto de vista físico (hardware), uma instrução de máquina é um grupo de bits que indica ao processador uma operação ou ação que ele deve sinalizar.
41 TIPOS DE ARQUITETURA CISC Conjunto de instruções complexas. RISC Conjunto de instruções reduzidas.
42 FORMATO DAS INSTRUÇÕES O grupo de bits que constitui a instrução pode ser dividido em 2 partes: uma indica o que é a instrução e como será executada e a outra se refere ao dado que será manipulado na operação. A primeira parte é constituída de 1 só campo. A segunda parte é constituída de 1 ou mais campos.
43 FORMATO DAS INSTRUÇÕES Um campo (um subgrupo de bits) chama-se código de operação. O restante do grupo de bits chama-se campo dos operandos. Código de Operação C.Op. é o campo da instrução cujo valor binário é a identificação (ou código) da operação a ser realizada.
44 FORMATO DAS INSTRUÇÕES Tamanho Fixo são mais simples de implementar e executar. Permite calcular imediatamente a quantidade máxima de instruções que pode ser implementada no processador, apenas sabendo-se a quantidade de bits do campo Tamanho variável permitem codificar uma quantidade maior de instruções com menor quantidade de bits.
45 FLUXOGRAMA CICLO DE INSTRUÇÃO
46 ATIVIDADES EM GRUPO Realize as questões abaixo, como exercício de fixação de conteúdo, em grupo de até 4 pessoas. A resolução final deverá ser postada no ambiente virtual Moodle e o prazo final para a entrega é o dia 18/05/2015, às 22:30 horas.
47 QUESTÕES PROPOSTAS 1. Defina o que é uma CPU e quais são suas principais funções 2. Analisando a evolução dos processadores, ao longo dos últimos anos, quais foram os maiores avanços conquistados? Quais fatores ainda limitam o avanço dessa tecnologia? 3. O que são e quais são as operações primitivas realizadas pelo processador? 4. O que são instruções de máquinas? O que é necessário para que essas instruções sejam processadas?
48 QUESTÕES PROPOSTAS 5. O que é um ciclo de instrução? 6. Defina um pipelining. 7. O que é uma Unidade Lógica e Aritmética? Quais são suas funções? 8. O que significa o Overflow? Quando ele ocorre? 9. Qual é a influência do tamanho da palavra que o processador é capaz de armazenar/processar e o desempenho do sistema? 10. Qual é a importância do clock para o sistema?
49 DÚVIDAS? PERGUNTAS? ANGÚSTIAS? AFLIÇÕES?
50 Prof. André Luís Belini / Blog: Página:
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