Célula, Palavra, Ciclo de Instruções e Lógica Temporizada

IFBA – Instituto Federal de Educ. Ciencia e Tec BahiaCurso de Analise e Desenvolvimento de SistemasArquitetura de Computadores – 20 e 21/30Prof. Msc. Antonio Carlos Souza

Referências Bibliográficas:1. Ciência da Computação: Uma visão abrangente - J.Glenn

Brokshear2. Introdução à organização de computadores – Mário

Monteiro – LTC3. Organização Estrutura de Computadores – Andrew S.

Tanembaum - LTC

Célula x Tamanho da Memória

1) Numa MP com 1kbyte de capacidade, onde cada célula tem 8 bits:a) quantas células tem a MP?b) quantos bits são necessários para representar um endereço de memória?

2) Um computador endereça 1k células de 16 bits cada uma. Pede-se:a) sua capacidade de memória;b) o maior endereço que o computador pode endereçar;

3) A memória de um computador tem capacidade de armazenar 256 bits e possui um barramento de dados de 16 bits. Pede-se:a) o tamanho da célula de memória;

Palavra da CPU

¡Quantidade de bits que a cpuprocessa por vez

¡ Palavra de 16 bits = 2 bytes de processamento por vez

¡ Palavra de 32 bits = 4 bytes ¡ Palavra de 128 bits

Palavra x Barramento¡ Há "computadores de 64 bits" mesmo quando

seu barramento de dados é de 32 bits, nesse caso referindo-se exclusivamente à capacidade de manipulação da UCP de 64 bits (isto é, sua UAL e acumulador tem 64 bits).

¡ Os microprocessadores Intel 8086 (16 bits, sendo todos seus elementos de 16 bits) e seu "irmão" mais novo 8088, usado nos primeiros IBM/PC e XT (idêntico sob quase todos os aspectos ao 8086 e também dito de 16 bits, sendo que UAL e registradores são de 16 bits mas o barramento de dados é de apenas 8 bits, por economia e razões de compatibilidade com toda uma geração de placas de 8 bits).

Palavras x Barramento

¡ Destaque-se que nesse caso as transferências de dados através do barramento de dados se fazem em duas etapas, um byte de cada vez, e em conseqüência no 8088 elas consomem o dobro dos ciclos de barramento que o 8086), o que torna suas operações de transferência de dados mais lentas que as de seu "irmão" 8086.

Lógica Temporizada

¡ as instruções, os dados e os endereços "trafegam" no computador através dos barramentos (de dados, de endereços e de controle).

¡ Mas os dados no computador não ficam estáticos; pelo contrário, a cada ciclo (cada "estado") dos circuitos, os sinais variam.

Lógica Temporizada

¡ Ou seja, os sinais ficam estáticos apenas por um curto espaço de tempo, necessário e suficiente para os circuitos poderem detetar os sinais presentes no barramento naquele instante e reagir de forma apropriada.

¡ Assim, periodicamente, uma nova configuração de bits é colocada nos circuitos, e tudo isso só faz sentido se pudermos de alguma forma organizar e sincronizar essas variações, de forma a que, num dado instante, os diversos circuitos do computador possam "congelar" uma configuração de bits e processá-las.

Lógica Temporizada

¡ Para isso, é preciso que exista um outro elemento, que fornece uma base de tempo para que os circuitos e os sinais se sincronizem.

¡ Este circuito é chamado clock - o relógiointerno do computador. Cada um dos estados diferentes que os circuitos assumem, limitados pelo sinal do clock, échamado um ciclo de operação.

Lógica Temporizada

¡ A Unidade de Controle da UCP envia a todos os componentes do computador um sinal elétrico regular - o pulso de "clock" -que fornece uma referência de tempo para todas as atividades e permite o sincronismo das operações internas. O clock é um pulso alternado de sinais de tensão, gerado pelos circuitos de relógio (composto de um cristal oscilador e circuitos auxiliares).

Lógica Temporizada

¡ Cada um destes intervalos regulares de tempo édelimitado pelo início da descida do sinal, equivalendo um ciclo à excursão do sinal por um "low"e um "high" do pulso.

O tempo do ciclo equivale ao período da oscilação. A física diz que período é o inverso da freqüência. Ou seja, P = 1 / f. A freqüência f do clock é medida em hertz. Inversamente, a duração de cada ciclo é chamada de período, definido por P=1/f (o período é o inverso da freqüência).

Por exemplo, se f = 10 hz logo P = 1/10 = 0,1 s.

Lógica Temporizada

Lógica Temporizada

¡ Os primeiros computadores tinham um único sinal de clock geral, válido para UCP, memória, barramentos de E/S (entrada / saída), etc. À medida que a tecnologia foi se aperfeiçoando, a freqüência de clock de operação dos processadores (e, em menor escala, também a das memórias) aumentou em uma escala muito maior que a dos demais componentes.

Lógica Temporizada

¡ Desta forma, foi necessário criar diferentes pulsos de clock para acomodar as freqüências de operação dos diferentes componentes.

¡ A placa-mãe de um PC utiliza uma freqüência-mestra (hoje em geral de 66 Mhz, equivalente a um período de 15 ns, estando em prancheta placas para 100 MHz) para seu barramento (ciclo de barramento), a qual é multiplicada ou dividida para ser utilizada pelos demais componentes: - o processador tem essa freqüência multiplicada por 2 (133 Mhz) a 4 (266 MHz), - o barramento PCI usa freqüências reduzidas pela metade (33 Mhz), - as memórias (ciclos da ordem de 60 ns) usam freqüências reduzidas a um quarto e - as cache secundárias (ciclos entre 10 e 20 ns) usam a própria freqüência da placa-mãe.

Desempenho dos processadores

¡ Medida em termos da velocidade de trabalho

¡ Execução de instruções porintervalo de tempo

¡ MIPS (milhões de instruções porsegundo)

¡ MFLOPS (milhões de operações de ponto flutuante por segundo)

Cache

Esquema Básico

Ciclo de Intruções

¡ Primeiramente, o programa a ser executado precisa ser carregado (armazenado) na MP, o que é feito pelo Sistema Operacional, que também se encarrega de informar à UCP onde o programa começa.

¡ O Sistema Operacional faz isto "setando"o PC (isto é, colocando no PC o endereço da MP onde está localizada a primeira instrução daquele programa).

Ciclo de Instruções

¡ A partir daí se realiza o processamento automático, executando-se as instruções seqüencialmente uma a uma, o que éobtido através do incremento automático do PC.

¡ Obs: Se o programa inclui uma instrução de desvio, o fluxo seqüencial pode ser alterado.

Ciclo de Instruções

¡ A UCP não diferencia um dado de uma instrução. A UCP não "executa" dados devido ao conteúdo do CI, que é incrementado pelo tamanho da instrução e fica sempre apontando para a próxima instrução.

¡ Mas se em um programa houver uma instrução de desvio para um endereço em que esteja contido um dado, a UCP interpretaria o valor binário do dado como se fosse o código de uma instrução, tentaria executar e o resultado seria imprevisível.

Ciclo de Instrução

1 - A UCP busca o código de operação na MP e armazena no Registrador de Instrução da UC

Fase: Busca da instrução - (Instruction Fetch) - ciclo de buscaRI <--- (PC)Micro-operações: - a UC lê o conteúdo do PC (endereço da próxima instrução ) e coloca o endereço no REM;- a UC envia um sinal à memória de operação de leitura (memory read), via barramento de controle;- a memória lê o endereço que está no REM, via barramento de endereços, e busca o conteúdo da célula referenciada;- a memória coloca no RDM, via barramento de dados, o conteúdo da célula lida;- a memória envia à UC, via barramento de controle, um sinal de "leitura concluída";- a UC transfere o código de operação (o conteúdo do RDM) ao RI.

Ciclo de Instruções

¡ 2 - A UC (decodificador de instruções) decodifica o Código de Operação.

Fase: Busca da instrução - (Instruction Fetch) - ciclo de buscaMicro-operações:- o Decodificador de Instruções decodifica o opcode;- o Decodificador de Instruções determina quantas células a instrução ocupa;- a UC incrementa o CI para apontar para a próxima instrução: PC<--- (PC+ n), onde n = nº de células que a instrução ocupa.- a UC incrementa o REM para apontar para o operando: REM <--- (REM + 1);

Ciclo de Instruções

3 - A UC busca (se houver) o(s) operando(s)

Fase: Busca de operandos (Operand Fetch) - ciclo de execuçãoRI <--- (Op)Micro-operações: - a UC envia um sinal à memória de operação de leitura (memory read), via barramento de controle;- a memória lê o endereço que está no REM, via barramento de endereços, e busca o conteúdo da célula referenciada;- a memória coloca no RDM, via barramento de dados, o conteúdo da célula lida;- a memória envia à UC, via barramento de controle, um sinal de "leitura concluída";- a UC transfere o operando (o conteúdo do RDM) ao RI.

Ciclo de Instruções

* Se o operando é o próprio dado: -- a UC transfere o dado (o conteúdo do RDM) ao ACC.-- vai para operação 4; caso contrário:* Se o operando é um ponteiro para onde o dado estáarmazenado: -- a UC coloca no REM o endereço de onde o dado estáarmazenado;-- a UC envia um sinal à memória de operação de leitura (memory read), via barramento de controle;-- a memória lê o endereço que está no REM, via barramento de endereços, e busca o conteúdo da célula referenciada;-- a memória coloca no RDM, via barramento de dados, o conteúdo da célula lida;-- a memória envia à UC, via barramento de controle, um sinal de "leitura concluída";-- a UC transfere o dado (o conteúdo do RDM) ao ACC;-- vai para operação 4.

Ciclo de Instrução

4 - A UC comanda a execução da instrução (a operação é executada sobre o dado).Fase: Execução da instrução - ciclo de execução- UAL executa a instrução