Organização de Computadores

Unidade Central de Processamento - CPU

Carlos Sampaioccsampaio@hotmail.com

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

Registradores

Unidade de Controle

Unidade Logica e

Aritimética(ULA)

MemóriaPrincipal

Disco Impressora

Dispositivos de E/S

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.

• Um programa executável, portanto, é constituído de um conjunto de instruções de máquina seqüencialmente organizadas.

Código daOperação

Campo(s) deOperando(s)

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 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 freqüênciaExemplo: 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 BarramentosREM – 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

• BarramentosBarramento 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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