Introdução Material de apoio: Daltrini, Beatriz M.; Jino, Mario; Magalhães, Leo P.; Introdução...

Introdução

Material de apoio:

Daltrini, Beatriz M.; Jino, Mario; Magalhães, Leo P.; Introdução a Sistemas de Computação Digital , São Paulo MAKRON Books, 1999.

Mury, Antonio Carlos, Curso de Eletrônica Digital, ETE”FMC”, 1994.

Contribuidores da Wikipédia , História da Computação, pt.wikipedia.org/wiki/História_da_computação

2ª Semana # Organização de um Computador #Memória

RegistradoresInstruções de Máquina

Interfaces de Entrada e Saída

Máquina Analítica - 1834

Organização

Dos Computadores

1833 Charles Babbage = Estrutura Básica para Sistemas Computacionais Sistemas podem ser programados para executarem diferentes tarefas;

Transferência seqüencial de informações; Impossibilidade de ligar a CPU aos periféricos 1 a 1Via de Dados , Via de Endereços e Via de Controle;

Ada Augusta (Lady Lovelance) – Lord ByronConseitos : SubRotinas - Laços

O projeto, totalmente mecânico, era composto de uma memória, um engenho central, engrenagens e alavancas usadas para a transferência de dados da memória para o engenho central e dispositivos para entrada e saída de dados. O calculador utilizaria cartões perfurados e seria automático.

Organização

Dos Computadores

Von Neuman (1903 - 1957)

Unidade de

Controle

Unidade Lógica e

Aritmética

Memória I/O

VIA DE ENDEREÇOS

VIA DE DADOS

VIA DE CONTROLE

UCP

Organização

Dos Computadores

Unidade Central de Processamento : • Controle de Todo o Sistema;• Manipulação dos Dados;• Acessa e interpreta instruções do programa contido na memória;• Executa operações Lógicas e Aritméticas

Memória : • Armazena os Programas;• Armazena os Dados que serão manipulados;

Dispositivos de Entrada e Saída : • Conexão do computador com sistemas externos

Barramento de Dados : Linhas paralelas que permitem a comunicação bidirecional entre CPU, Memórias e Dispositivos de IO. Somente um dispositivo utiliza o barramento de cada vez.Barramento de Endereços : Linhas paralelas unidericionais pelas quais a CPU habilita qual dispositivo utilizará o barramento de dados.

Barramento de Controle : Linhas por onde trafegam os sinais de controle e sinalização do sistema.

Registradores

FlipFlops:

Tem apenas dois estados estáveis(1/0, Alto/Baixo) e possui a capacidade de reter seu estado.Tem dois estados de saída sendo um o complemento do outro.Pode ser sensível ao nível(estado da entrada) ou a mudança de nível(borda de subida ou descida).

Registrador é o elemento básico de memória em um sistema computacional.

Um registrador é a ligação de FlipFlops sincronizados pelo mesmo relógio. O conteúdo de cada FlipFlop normalmente está associado a um bit de informação.

Registradores

Nunca muda de estado se as entradas R(reset) e S(set) são 0. Com 0 na entrada S e um na entrada R passa para o estado Q(saída)=0. Com 1 em S e 0 em R passa para o estado Q=1. R e S em 1 não definem um estado

válido.

R S Q0 0 Q0

1 0 00 1 11 1 ND

Registradores

Funciona como uma unidade de atraso, sua saída Q apresenta o estado da entrada D anterior ao último pulso de clock. .

D Q0 D0

1 D0

Registradores

Funciona similarmente ao RS porém apresenta um clock e inverte seu ultimo estado quando apresentar ambas entradas em nível lógico 1.

J K Q0 0 Q0

1 0 10 1 01 1 Q0

Note que o FlipFlop D apresenta lógica baixa na entrada ao contrário do JK.

Operações

Considerando dois registradores (A e B) formados por n(tamanho da palavra) flipflops JK.

A transferência de informação de a para b será efetuada quando o sinal de clock global do sistema juntamente com o sinal de controle (MOVE A

-> B) ativarem o clock dos flipflops do registrador B, mantendo o conteúdo de A inalterado.

Com Registradores

Monte um circuito de transferência de 2 bits usando flipFlops JK.

Exercício 2.1®:

Operações

Considerando dois registradores (A e B) formados por n(tamanho da palavra) flipflops JK.

A transferência de informação de a para b será efetuada quando o sinal de clock global do sistema juntamente com o sinal de controle (MOVE A

-> B) ativarem o clock dos flipflops do registrador B, mantendo o conteúdo de A inalterado.

Com Registradores

Operações

A saída do registrador será complementada ao sinal de clok. Essa operação é executada, por exemplo, para realizar subtração em

circuitos somadores.

Com Registradores

Operações

Essa operação tem a propriedade de deslocar os bits de um registrador com flipflops ligados em cadeia. Costuma ser utilizado para operações

de multiplicação.

Com Registradores

Operações

Operações de incremento e decremento são muito utilizadas em sistemas computacionais, desde a contagem de posições em vetores à marcação de posição de execução de um programa. Um contador pode

ser controlado como crescente ou decrescente. Ainda pode ser síncrono ou Assincrono.

Com Registradores

Monte um contador BCD, isto é um incrementador que reset quando chegar em 1010.

Exercício 2.2:

Monte um circuito capaz de efetuar somas com sinal e multiplicação de dois números binários de 4 bits. Esse circuito poderá ainda operar comparação de magnitude(<,>,=). Use portas lógicas e flipflops a

vontade.

Exercício 2.3 **DESAFIO**:

Operações

Com Registradores

UCP

Unidade de

Controle

Unidade Lógica e

Aritmética

UCP

Unidade Central de Processamento :

• Unidade Lógica e Aritmética

• Unidade de Registros

•Unidade de Controle

Sistema hipotético:

Organização

Dos Computadores

Un. Lógica

e Aritmética

Definiremos um sistema hipotético que possui uma ULA que opera dois registradores de 8 bits (A e B) e possui outro (F) para apresentar a saída com os seguintes Controles: M, S1 e S2 seleciona a operação a ser executada conforme a tabela:

STA e STB carrega o conteúdo do barramento de Dados nos registradores A e B respectivamente.

OE carrega o conteúdo de F no barramento de Dados.

S0 S1 M=0 op.Aritméticas M=1 op.Lógicas0 0 F = A plus B AND0 1 F = A minus B OR1 0 F = A X B NOT1 1 F = A /B XOR

Un. de Registros

Registros A e B :Registros de Propósito geral: armazenam informações variadas a serem processadas:• LD : Carrega inf. Do bar. De dados.• OE Entrega o conteúdo armazenado para o bar. De dados

Registro RI:Registrador de Instruções: Armazena o código da instrução a ser executada.• LD : Carrega inf. Do bar. De dados.

Registro REM:Registrador de endereço de memória: Armazena o endereço de memória a ser acessado.

Un. de Registros

Registro PC:Contador de Programa: Armazena o endereço da próxima instrução a ser buscada na memória. É incrementado a cada busca.•CKEN : Habilita incremento pelo Clock do sistema .•PCldl e PCldh: Carrega informação do Bar. De dados, bits menos significativos e mais significativos respectivamente.

Registro PSW:Registrador de Status: Armazena informações relevantes ao funcionamento da UCP.

Un. de Controle

Unidade de Controle :É a unidade que controla a execução das instruções:• Extrai a instrução da memória principal.• Interpreta o Código de operação (na ROM).•Controla a execução da instrução pelo sequenciamento dos sinais de controle.

Recebe o código da instrução proveniente de RI e possui um sequenciador que incrementa os bits menos significativos de endereço da ROM executando assim as microinstruções :

Un. de Controle

Unidade de Controle :

Além dos controles:• M, S1, S0, STA, STB, OEalu => Unidade Lógica e Aritmética • Ckenpc, LDpch, LDpcl, LDa, OEa, LDb, OEb, LDri, Ldrem, CkenremComanda:•MREQ(habilita memória),IORQ(habilita i/o),RD(leitura do dispositivo), WR(escrita no dispositivo) .

Sistema hipotético:

Organização

Dos Computadores

Transferência de dados :Transfere dados ou blocos de dados entre os registradores, posições de memória e barramento de dados.• MOVE A, B

Tratamento de operandos:Realizam operações aritméticas ou lógicas.• ADD A, B

Un. de Controle

TIPOS DE INSTRUÇÕES

Instruções de desvio:Determinam desvio no fluxo do programa.• JMP, Jcond, JSR, RET

Entrada/Saída:Comunicação da UCP com interfaces de I/O.• IN port

Miscelânea:Instruções especiais de um processador em particular.

Un. de Controle

Fase de Busca(fetch) :É o ciclo de máquina para leitura do código de operação(c.o), a primeira palavra da instrução. O ciclo de busca é idêntico para qualquer instrução.

Fase de Execussão :São os ciclos de máquinas necessários para busca das palavras restantes da instrução e execução dessa. É diferente e compreende números de ciclos de máquina diferentes para cada instrução.

Ciclo de Máquina :É 1(UMA) seqüência de microoperações que são executadas caracterizando uma operação. A execução de instruções é dividida em ciclos de máquina.

Un. de Controle

•Instrução•Ciclo•Microprograma

•Microinstruçãoes•Microoperações•Microcomando

Organização

Dos Computadores

0000

00

Organização

Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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05h

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Organização

Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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3d

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Organização

Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

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Organização

Dos Computadores

0000

03

026d02

3d27

3d

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9d

Un. de Controle

   2: {    3:  int x,a;    4:  x = 20; C:0x0800    7F14     MOV      R7,#0x14    5:  x = x + 5; C:0x0802    7405     MOV      A,#0x05 C:0x0804    2F       ADD      A,R7 C:0x0805    FF       MOV      R7,A C:0x0806    E4       CLR      A C:0x0807    33       RLC      A    6:  a = x; C:0x0808    F508     MOV      0x08,A C:0x080A    8F09     MOV      0x09,R7    7: } C:0x080C    22       RET ...

  92: ?C_STARTUP:     LJMP    STARTUP1   93:   94:                 RSEG    ?C_C51STARTUP   95:   96: STARTUP1:   97:   98: IF IDATALEN <> 0 C:0x0000    020800   LJMP     STARTUP1(C:0800) C:0x0003    00       NOP C:0x0004    00       NOP ...

C:0x07FF    00       NOP   99:                 MOV     R0,#IDATALEN - 1 C:0x0800    787F     MOV      R0,#0x7F 100:                 CLR     A C:0x0802    E4       CLR      A 101: IDATALOOP:      MOV     @R0,A C:0x0803    F6       MOV      @R0,A 102:                 DJNZ    R0,IDATALOOP C:0x0804    D8FD     DJNZ     R0,IDATALOOP(C:0803) 151:                 MOV     SP,#?STACK-1

C:0x0806    758109   MOV      SP(0x81),#0x09 155:                 LJMP    ?C_START

Organização

Dos Computadores

Un. de Controle

Endereço de Retorno em PilhaAs pilhas normalmente são definidas dentro da própria memóriaO registrador SP(Stack Pointer) contém o endereço da 1ª posição livre na pilha.

Sub-Rotinas :

Endereço de Retorno junto à Sub-RotinaArmazena-se a primeira palavra para o endereço de retorno(DS).Chamada : JSR SUB (Sub está armazenada a partir da posição de memória endsub)

endsub <- (PC)

PC <- endsub +1

Retorno:

JUMP(SUB)

PUSH PC (SP) <- (PC)

SP <- (SP)+1

JUMP endsub

POP PC (SP) <- (SP)-1

PC <- ((SP))

Un. de Controle

Sub-Rotinas :

Passagem de perâmetros:

Por Registradores da UCP

Área associada à Sub-Rotina

Área associada ao Programa

Área Comum de Dados

Pilha

Un. de Controle

Interrupções :

PUSH PC

PUSH PSW

JUMP endsub

POP PC

POP PSW

CALL

RTI

Os “pinos de interrupção” da pastilha do processador estão ligados a um mecanismo interno que gera um salto para uma posição específica da memória. Essas linhas de memória são chamadas “reservadas” e só são utilizadas para o atendimento da interrupção.

Un. de Controle

Interrupções:

Mapemanto Interno:Gerador de Seqüência de Interrupções

Mapemanto Externo:Controlador de Interrupção (gera um sinal no pino de interrupção e após ACK

coloca o endereço de interrupção no barramento de dados)

Mapemanto Misto:Usado na maioria das arquiteturas modernas

Mecanismo de Polling:para vários dispositivos em uma mesma linha de

interrupção

Un. de Controle

Interrupções:

Organização dos endereços de Interrupção na Memória:

Posições Não Contíguas de Memória:

Interrupção Vetorizada: O Gerador de Sequência de Insterrupção deverá gerar os sinais

para gerar o salto(Push PSW,PC e JMP )

Mascaramento:Permite habilitação/desabilitação seletiva e sinais de

interrupção.

Mascaramento por Nível de Prioridade:

Memórias

Memórias:

Contem diversas posições cada uma das quais indicadas por um endereço, possui n linhas de endereços e 2n posições:

Memórias

Classificação das Memórias:

Volátil / Não Volátil:perde os dados se a alimentação do sistema for removida.

Acesso Seqüencial / Aleatório:a informação pode ser acessada diretamente , sem passar pelas

posições anteriores

Tempo de Acesso:é crucial para definir sua aplicação

Capacidade:Tamanho da palávra X número de endereços

Dinâmica / estática:Necessitam de “Refresh”

Memórias

ROM(Read Only Memory)

Mask-ROM:Informações vem de fábrica.

PROM (Programmable ROM):Programável pelo usuário mas apenas uma única vez.

Todos os bits vêm em 1 e após “queimado” vira 0.

EPROM(Erasable PROM):São reprogramáveis um por um número limitado de

vezes, são apagadas por ondas ultra-violeta.

EEPROM(Eletrically EPROM):São eletricamente reprogramáveis mas necessitam

de um circuito para prover os níveis de tensão que são bem diferentes dos usados em operação.

ICEEPROM(In Circuit Erasable PROM):São reprogramáveis no próprio circuito.

MagnéticaFlash....Dispositivos I/O

I/O

Dispositivos de Entrada e Saída

E/S isolada (I/O BUS):Barramentos logicamente distintos dos barramentos de acesso à

memória.

E/S Controlada por Hardware (DMA – Direct Memory Acces):Conexão direta entre memória e dispositivo.Transferência é feita em blocos de tamanho determinado.Burst – Cycle Stealing - Transparente.

E/S Mapeada em Memória (UNIBUS):Existe um único espaço de endereços tratados como de memória. A UCP

trata a I/O como se fosse uma célula de memória.

Comunicação Serial:Existe um único espaço de endereços tratados como de memória. A UCP

trata a I/O como se fosse uma célula de memória.

Comunicação Paralela:Existe um único espaço de endereços tratados como de memória. A UCP

trata a I/O como se fosse uma célula de memória.

Características

Dos

Microcontroladores

ADCSPI/I2CRTCTimerPWMWatch DogJTagEncapsulamentoISP