Arquitetura de Computadores: CPU, Ciclo de Instrução e Memória

Caminho Crítico

É o percurso que vai levar mais tempo para ser executado.

Relacionamento (Clock e Caminho Crítico)

O tempo de execução do clock não pode ser menor que o caminho crítico. Se o clock for menor, pode ocorrer falha na operação, e algumas instruções, como OR, ADD, SUBTRACT e AND, não serão executadas.

Modelo de Von Neumann

O refinamento do modelo de Von Neumann, o modelo de barramento de sistema, possui uma CPU (ALU e controle), memória e uma unidade de entrada/saída (I/O).

Componentes Principais do Modelo de Von Neumann

O modelo de Von Neumann possui cinco componentes principais:

1. Unidade de entrada;
2. Unidade de saída;
3. Unidade Lógica Aritmética (ULA);
4. Unidade de memória;
5. Unidade de controle.

Ciclo BDE (Busca, Decodificação e Execução)

Toda Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU) faz sempre a mesma coisa desde que é energizada até ser desligada: ela fica sempre buscando a próxima instrução a ser executada. Caso exista alguma “na vez”, esta é decodificada, seja pelo microprograma (no caso dos computadores CISC - Conjunto Completo de Instruções) ou pelos circuitos especializados (no caso do RISC - Conjunto Reduzido de Instruções).

Componentes dos Processadores

Os microprocessadores atuais são compostos por:

• ULA – Unidade Lógico-Aritmética;
• UC – Unidade de Controle;
• MAR – Registrador de Endereço de Memória;
• MBR – Registrador de Bloco de Memória;
• PC – Contador de Programas;
• Registradores de Uso Geral;
• E outros componentes.

Função da Unidade de Controle (UC)

Cada operação possui um código identificador único. Para cada código interpretado, uma sequência de micro-operações é realizada. O sinal de clock dá o ritmo da execução das micro-operações. Dados e instruções são copiados para dentro da UCP, nos registradores. A Unidade de Controle faz o gerenciamento de todas essas operações.

Ciclo de Instrução

O ciclo de instrução (também chamado de ciclo de busca e execução ou ciclo busca-execução) é o período de tempo no qual um computador lê e processa uma instrução em linguagem de máquina da sua memória, ou a sequência de ações que a UCP realiza para executar cada instrução em código de máquina num programa.

Função do Microprograma

A função principal desse microprograma é verificar cada dígito que identifica a instrução e “descobrir” de qual instrução se trata para fazer a devida busca de operandos, se for o caso.

Tipos de Operações Envolvidas nas Instruções

As instruções podem envolver operações diversas do computador, tais como:

• Aritmética;
• Controle (laços, desvios condicionais, e outros);
• Entradas e saídas (de e para periféricos);
• Operações envolvendo a memória;
• Outras.

Interrupção

Uma interrupção é um sinal de um dispositivo que tipicamente resulta em uma troca de contexto. Isto é, o processador para de fazer o que está fazendo para atender o dispositivo que pediu a interrupção. Ao ser interrompida, a UCP precisa salvar todo o seu conteúdo em alguma área de memória para atender ao periférico. Após realizar o atendimento, a UCP retoma os valores armazenados e continua o processamento normalmente.

Regime de Clock (Temporização)

Iremos supor que:

• Cada registrador possui um sinal de carga particular que é ativado com lógica direta.
• Os registradores são “disparados” pela borda ascendente do relógio (clock).
• No desenho ao lado, quando CK=?, se cargaR1=1, então R1 <- entrada.

O atraso crítico do bloco combinacional deve ser menor que o período do relógio.

Bloco Operativo Monociclo

• Qualquer instrução é executada em um único ciclo de relógio.
• O período do relógio será longo o suficiente para acomodar qualquer instrução.
• Na verdade, o período do relógio será função da instrução mais demorada.

Elementos Necessários para a Busca da Instrução

• A memória onde estão armazenadas as instruções;
• O contador de programa (PC) para armazenar o endereço da instrução;
• Um somador para calcular o endereço da próxima instrução.

Elementos Necessários para a Execução de Instruções Tipo R

• Um banco de registradores para armazenar os operandos e o resultado das operações;
• Uma Unidade Lógica/Aritmética (ULA) que será utilizada para realizar as operações.

Elementos Necessários para Executar lw e sw

• Uma memória de dados;
• Um módulo de extensão de sinal;
• Um banco de registradores (já mostrado);
• Uma ULA (já mostrada).

Combinando Elementos para Escrita na Memória (sw)

• O endereço de escrita é obtido pela soma de um registrador de base (registrador 1) com um deslocamento de 16 bits estendido para 32 bits.
• O registrador 2 é escrito na memória.

Combinando Elementos para Leitura da Memória (lw)

• O processo de leitura é semelhante ao de escrita.
• A diferença básica é a existência de um caminho para escrever o valor lido no banco de registradores.