Sistemas Microprocessados: Arquitetura, CPU e Memórias

Unidade I: Componentes de um Sistema Microprocessado

O Microprocessador

Um microprocessador é uma máquina capaz de resolver problemas através da execução de instruções. Essa máquina executa instruções simples, tais como:

• Somar dois números;
• Verificar se um número é zero;
• Copiar dados de uma parte da memória para outra.

Estas instruções básicas formam a linguagem de máquina. Portanto, um processador executa uma série de instruções de um conjunto conhecido como conjunto de instruções (ISA - Instruction Set Architecture).

Armazenamento do Programa

Onde o programa fica armazenado?

• Um programa fica armazenado na memória de programa, de onde o processador deve buscá-lo para executá-lo;
• Um programa é composto por diversas linhas de instrução, que é a menor porção de um programa;
• Um processador executa uma linha por vez.

CPU (Unidade Central de Processamento)

A função da CPU é buscar as instruções da memória, examiná-las e executá-las. As informações são transmitidas pelo barramento, que pode ser externo ou interno à CPU.

A CPU é composta por partes distintas:

• A Unidade de Controle (UC): busca as instruções e determina o tipo;
• A ULA (Unidade Lógica Aritmética): executa as operações aritméticas e booleanas;
• O Banco de Registradores: uma memória pequena, mas veloz, para acelerar a execução.

O banco de registradores pode ser de uso geral e agrupar configurações dos dispositivos. São de alta velocidade por estarem dentro da CPU. Os mais importantes são o PC (Program Counter) e o IR (Instruction Register).

Organização da CPU: Caminho de Dados

O caminho de dados é composto por:

• Banco de registradores (ex.: 1 a 32);
• ULA (Unidade Lógica Aritmética);
• Barramentos de conexão e tráfego de dados.

Este é o modelo de Von Neumann. Atualmente, existem várias implementações, porém a ideia básica permanece.

Execução de uma Instrução

A execução de cada instrução compreende uma série de tarefas:

1. Buscar na memória a instrução a ser executada;
2. Alterar o PC para apontar para a próxima instrução;
3. Determinar o tipo de instrução;
4. Se a instrução usar uma palavra da memória, determinar sua localização;
5. Trazer a palavra para dentro de um registrador da CPU, se necessário;
6. Executá-la;
7. Armazenar o resultado na memória ou em um registrador;
8. Voltar para o passo 1.

Exemplo: o processador MIPS.

Componentes de um Sistema Microprocessado: Memória e Barramentos

Exemplo de Memória e Barramentos Externos

• Clock da CPU;
• Sinais de controle;
• Barramento de dados multiplexado com a parte baixa dos endereços;
• Barramento de endereços.

Parâmetros Importantes da CPU

Capacidade de Memória

A capacidade de memória determina o tamanho máximo do programa. Uma memória com "m" pinos de endereço pode endereçar 2^m posições (ex.: m=16, 2^16 = 65536 bytes).

A largura do barramento de dados determina a organização da memória e quantas palavras são escritas por operação (ex.: 8, 16, 32 bits).

Sinais de Controle

As CPUs possuem sinais de controle que sinalizam diversas operações:

1. Controle de barramento;
2. Interrupções;
3. Arbitragem do barramento;
4. Sinalização de coprocessador;
5. Estado;
6. Diversos.

Memória

Sua função é armazenar o programa e os dados. O elemento básico de uma memória é o Flip-flop (usado em memórias SRAM). Em memórias DRAM, utiliza-se o efeito capacitivo de transistores.

RAMs e ROMs

Memórias RAM (Random Access Memory) permitem escrita e leitura:

• SRAM (Static Random Access Memory): Construída com flip-flops, rápida, cara e de alta ocupação.
• DRAM (Dynamic Random Access Memory): Construída com capacitores, precisa de refresh, mais lenta, barata e de alta densidade.

ROMs (Read Only Memory)

Dados e programas que não podem ser alterados ou perdidos sem energia. Tipos de ROM programáveis:

• PROMs: Gravadas uma única vez.
• EPROM: Apagáveis através de luz ultravioleta.
• EEPROM: Apagáveis através de pulso de tensão.
• FLASH: Permite apagar blocos específicos, alta densidade e muito utilizada atualmente.

Unidade II: Arquiteturas CISC e RISC

CISC (Complex Instruction Set Computer)

Vantagens: correção de instruções em campo, facilidade de adicionar novas instruções e projeto estruturado. O problema é o conjunto de instruções muito grande (200 a 300), dificultando compiladores.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Foca em um conjunto reduzido de instruções (cerca de 50) executadas em um ciclo. Vantagens: hardware simples, facilidade para compiladores, decodificação rápida e uso eficiente de registradores.

Instruções RISC e CISC

Soluções atuais utilizam arquiteturas híbridas, combinando a compatibilidade e o desempenho de ambas.

Microcontroladores

Computadores embutidos especializados, utilizados em eletrodomésticos, medicina e indústria. Possuem menor capacidade que PCs, mas são otimizados para baixo consumo de energia (low power) e possuem custo reduzido.