processador

PROCESSADOR
ULA
Combina uma variedade de operações lógicas e matemáticas dentro de uma
única unidade.
ULA
Uma ULA típica pode realizar as operações artiméticas:
- adição;
- subtração;
E lógicas:
- comparação de magnitude;
- e operações AND e OR.
ULA
Exemplo:
O exemplo a seguir apresenta um exemplo de uma ULA de um processador
com entrada e saída de N-bit e um sinal de controle que especifica a operação
a realizar.
ULA
ULA
Os dados A e B são obtidos de registradores, os quais podem ser carregados
tanto com dados externos, por exemplo, vindos de uma memória externa, ou
com o resultado interno produzido pela própria ULA.
A1111
Y=A+B
A
ax
cx
A1112
A
A1113
B
A1114
Y=A+B
A1115
C
Contador de
Instruções
A1116
D
A1114
A1117
Z=C+D
A1118
...
BD
B
bx
MEMÓRIA
PRINCIPAL
Y
BE
A1119
A111A
A111B
A111C
A111D
A111E
A111F
BD - Barramento de Dados
BE - Barramento de Endereços
ULA
O registrador que armazena os resultados intermediários/finais produzidos pela
ULA é conhecido como acumulador.
A1111
Y=A+B
A
ax
cx
A1112
A
A1113
B
A1114
Y=A+B
A1115
C
Contador de
Instruções
A1116
D
A1114
A1117
Z=C+D
A1118
...
BD
B
bx
MEMÓRIA
PRINCIPAL
Y
BE
A1119
A111A
A111B
A111C
A111D
A111E
A111F
BD - Barramento de Dados
BE - Barramento de Endereços
ULA
Os sinais de controle da ULA são gerados pela unidade de controle de acordo
com a instrução a ser executada.
A1111
Y=A+B
A
ax
cx
A1112
A
A1113
B
A1114
Y=A+B
A1115
C
Contador de
Instruções
A1116
D
A1114
A1117
Z=C+D
A1118
...
BD
B
bx
MEMÓRIA
PRINCIPAL
Y
BE
A1119
A111A
A111B
A111C
A111D
A111E
A111F
BD - Barramento de Dados
BE - Barramento de Endereços
ULA
A unidade de controle também gera sinais adicionais para o controle dos
componentes externos a ULA que estão integrados ao caminho de dados, como
a carga/escrita de dados em registradores/memórias externas e etc.
A1111
Y=A+B
A
ax
cx
A1112
A
A1113
B
A1114
Y=A+B
A1115
C
Contador de
Instruções
A1116
D
A1114
A1117
Z=C+D
A1118
...
BD
B
bx
MEMÓRIA
PRINCIPAL
Y
BE
A1119
A111A
A111B
A111C
A111D
A111E
A111F
BD - Barramento de Dados
BE - Barramento de Endereços
ULA
As ULAs mais modernas realizam operações aritméticas como:
- soma;
- subtração;
- multiplicação
- divisão.
E operações lógicas como:
- AND;
- OR;
- XOR;
- NOT
- SHIFT;
- ROTATES.
Principais componentes do
processador
Os principais componentes de um processador são:
- Unidade de Controle (UC);
- Unidade Lógica e Aritmética (ULA);
- Registrador;
- Memória Cache.
Unidade de Controle
A Unidade de Controle (UC) é um componente do processador responsável por
gerar sinais elétricos que controlam outros componentes:
- responsável por gerar todos os sinais que controlam as operações no exterior
do CPU;
- resposnsável por todas as instruções para o correto funcionamento interno do
CPU;
- responsável por controlar as ações da ULA e dos registradores;
- os sinais são gerados com base na instrução que está sendo processada.
Unidade de Controle
A UC atua em conjunto com outra estrutura: o decodificador de instruções.
A unidade de controle executa três ações básicas intrínsecas e préprogramadas pelo próprio fabricante do processador:
- busca (fetch);
- decodificação;
- execução.
OBS: nos processadores atuais são muito mais ações.
Unidade de Controle
O processador, ao iniciar sua operação, realiza uma operação cíclica, tendo
como base essas três ações.
Dependendo do tipo de microprocessador, a unidade de controle pode se ser
fixa ou programável.
Unidade de Controle
A unidade fixa é aquela unidade que já vem com todo o conjunto de instrução
programado em uma PLA que é construída pelo fabricante, dentro da UC.
Exemplo:
Microprocessadores antigos como 8080, 8085, Z80, 6800 e 6502 possuem
unidade de controle fixa.
Unidade de Controle
A UC programável, além de permitir a construção das partes do computator
usando módulos básicos Bit slices, permite ao projetista de hardware programar
seu próprio conjunto de instruções.
Exemplo:
Unidade de controle programável pode ser visto nos processadores conhecidos
como Bit slicing.
O ILLIAC IV (Illinois Array Computer) foi o primeiro sistema SIMD de ampla
repercussão, sendo do final da década de 1960.
Unidade de Controle
Passos:
- inicialmente, a UC de controle fornece o endereço de memória de onde deve
retirar um byte ou mais, conhecido como chunk;
- esse chunk pode conter um código de operação-opcode, ou um operando
também conhecido como dado;
- na primeira posição de memória deve sempre ser gravado um opcode, pois só
o opcode pode informar para a UC qual ação deve ser tomada depois.
Unidade de Controle
Passos:
- além de controlar a posição de memória que contém a instrução corrente que
o computador está executando a UC;
- ao decodificar o opcode, informa à ULA qual operação a executar: soma ou
subtração nos processadores de 8 bits;
- nos processadores de 16 bits podem ser efetuadas as instruções de soma,
subtração, divisão e multiplicação.
Unidade de Controle
Passos:
- a UC tem a capacidade de realizar operações que denominamos operações
lógicas, onde se incluem:
AND: e;
OR: ou;
XOR: ou exclusivo;
CMP: comparação;
SHIFT: deslocamento de bits para a direita e para a esquerda.
Registrador
A arquitetura de um processador pode ser orientada de dois tipos: por
registrador ou para a memória.
Registrador
Se for orientada para registradores como no caso da arquitetura Intel, a ULA,
após executar qualquer operação lógica ou aritmética, sempre vai armazenar o
resultado no registrador acumulador.
Registrador
Se for orientado para memória (microprocessadores Motorola), nem sempre o
resultado é armazenado no acumulador, podendo esse ser armazenado em
qualquer posição de memória.
Terminada a primeira instrução, a unidade de controle auto incrementa um
contador, chamado de contador de programa e vai para a próxima instrução
(tipicamente localizada na próxima posição da memória, endereço de memória),
a menos que a instrução seja uma instrução de desvio informando o
computador que a próxima instrução está em outra posição.
Registrador
É um dispositivo de armazenamento de dados existente dentro do processador;
Tem tamanho do registrador é medido em bits, variando de 32 a 256 bits nos
processadores atuais.
O conjunto de todos os registradores forma uma memória interna do
processador, de alta velocidade, mas de baixa capacidade se comparada com
outras memórias (cache, principal, disco rígido, CD).
Registrador
O registrador é a memória mais rápida da hierarquia de memória do
computador.
É possível ler e escrever rapidamente nele.
Antes de executar uma instrução, todos os dados que a instrução precisa são
lidos da memória cache e armazenados nos registradores.
A instrução indica quais registradores devem ser usados e qual operação
(soma, subtração, multiplicação…) deve ser executada sobre eles;
Cache
Memória intermediária entre a memória principal e os registradores do
processador.
É dividida em níveis LX (Level X):
- Cache L1;
- Cache L2;
- Cache L3;
OBS: Geralmente as caches L1 e L2 estão embutidas (on-chip ou on-die) no
chip do processador.
Possui um auto custo pode ser utilizada a mesma tecnologia empregada nos
processadores.
Barramentos
São os conjuntos de micro conectores que ligam o microprocessador à placamãe, através dos quais os dados e as instruções, os endereços e os elementos
de controle trafegam.
Os barramentos são bidirecionais, ou seja, permitem tanto a entrada de dados
no microprocessador quanto a saída de dados deste.
São três os barramentos de um microprocessador, cada um deles ligado a uma
de suas unidades primárias.
Barramentos
Barramento de Dados
Este barramento serve à ULA, utilizado para o tráfego dos dados e das
instruções.
A largura dos barramentos atuais é de 32 ou 64 bits, o que significa que cada
operação executada processa um bloco de 32 ou 64 dígitos binários. Ao
tamanho do barramento de dados também se dá o nome de “PALAVRA”.
Ao se dizer que um processador possui barramento de 32 bits, o termo se
refere SEMPRE ao tamanho do barramento de dados, e isto equivale a dizer
que o processador trabalha com uma PALAVRA de 32 bits.
Barramentos
Barramento de Controle
Serve à Unidade de Controle, transportando os dados das coordenadas
providas por esta unidade.
Barramentos
Barramento de Endereços
Onde trafegam os elementos que compõe os endereços de memória que
devem ser acessados, e que está, portanto, ligado aos Registradores.
Sua largura é equivalente à do barramento de dados ou à sua metade.
Os processadores atuais usam barramento de endereços de 32 bits, o que
equivale à tecnologia de 32 bits para dados, ou à metade da tecnologia de 64
bits.
Existem ainda processadores que possuem tecnologia de 64 bits tanto para
dados quanto para endereços.