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Organização de
Computadores
Unidade Central de
Processamento - CPU
Carlos Sampaio
[email protected]
Atualizado a partir do original do
Prof. Rodrigo Cavalcanti
CPU
• Unidade Central de Processamento
– Objetivos
• 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
Unidade de
Controle
Unidade
Logica e
Aritimética
(ULA)
Registradores
Dispositivos de E/S
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
•
•
•
•
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
• 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.
Código da
Operação
Campo(s) de
Operando(s)
• Um programa executável, portanto, é constituído de um
conjunto de instruções de máquina seqüencialmente
organizadas.
CPU
• Funções realizadas pela CPU
– Função Processamento
• Para que a execução do programa tenha início é
necessário que:
1. As instruções a serem executadas estejam
armazenadas em células sucessivas na MP;
2. O endereço da 1a instrução do programa esteja
armazenado na CPU para que a mesma possa buscála 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.
Dúvidas ?