AULA 9 - Microprocessadores - Graduação

CPU - Unidade de Controle

A CPU é o "cérebro" do processador.

• Funções:

- Interpretação e execução dos programas da memória principal;

- Controle dos demais componentes.

Componentes

- Registradores - armazenam armazenam temporariamente dados e instruções.

- Unidade Lógica e Aritmética (ULA)- “processa” os dados e atualiza os registradores.

- Unidade de Controle (UC) - “dispara” cada um das etapas de execução da instrução.

ULA

é o “núcleo” da CPU.

• Executa as operações de processamento de dados. Podem ser diferentes para cálculos com inteiros e ponto flutuante.
• Ativa bits especiais (flags), como resultado da operação. Ex: operação nula (bit Z), operação negativa (bit N), overflow, etc.
• Está conectada a um grupo de registradores pelo barramento interno, formando o caminho de dados.
• Pode-se utilizar um conjunto de conjunto de ULAs para a execução paralela de instruções.

Banco de registradores

Pequenas unidades de memória com alta velocidade.

• Mais rápidas que as memórias principal e cache.
• Utilizam o barramento interno da CPU.

Armazenamento temporário de dados, instruções e endereços, em utilização pelo processador.

• Possuem diferentes funções, mas têm um uso bem definido, dentro da arquitetura.
• Possibilitam operações de leitura e escrita.

Registradores de uso geral

• Utilizados para armazenar dados que serão processados ou produzidos pela ULA. Ex: AX-DX, AC, R0-R13.
• Coletivamente são chamados conjunto de registradores de dados (data register file).

Registradores de controle

• Utilizados no controle das operações pela CPU e nas trocas de informações com a MP. Ex: PC, IR, MAR, MBR.

• Alguns desses são invisíveis aos programadores.

Registradores (Processador 8088/8086)

• CPU possui 14 registradores de 16 bits visíveis.
• 4 registradores de uso geral:
  • AX (Acumulador): armazena operandos e resultados dos cálculos aritméticos e lógicos.
  • BX (Base): armazena endereços indiretos.
  • CX (Contador): conta iterações de loops ou especifica o n° de caracteres de uma string.
  • DX (Dados): armazena overflow e endereço de E/S.
  • Podem ser usados como registradores de 8 bits: Ex: AH e AL (byte alto e byte baixo de AX).
    
• 4 registradores de segmento:
  • CS (Segmento de Código): contém o endereço da área com as instruções de máquina em execução.
  • DS (Segmento de Dados): contém o endereço da área com os dados do programa. Geralmente aponta para as variáveis globais do programa.
  • SS (Segmento de Pilha): contém o endereço da área com a pilha. Que armazena informações importantes sobre o estado da máquina, variáveis locais, endereços de retorno e parâmetros de subrotinas.
  • ES (Segmento Extra): utilizado para ganhar acesso a alguma área da memória quando não é possível usar os outros registradores de segmento. Ex: transferências de bloco de dados.
• 5 registradores de offset:
  • PC (Program Counter) ou IP (Instruction Pointer): usado em conjunto com o CS para apontar a próxima instrução.
  • SI (source index) e DI (destiny index): utilizados para mover blocos de bytes de um lugar (SI) para outro (DI) e como ponteiros para endereçamento (junto com os registradores CS, DS, SS e ES).
  • BP (Base Pointer): usado em conjunto com o SS para apontar a base da pilha. Similar ao registrador BX. Usado para acessar parâmetros e variáveis locais.
  • SP (Stack Pointer): usado em conjunto com o SS para apontar o topo da pilha.
• 1 registrador de estado do processador (PSW) :
  • Registrador especial composto por sinalizadores (flags) que ajudam a determinar o estado atual do processador. Coleção de valores de 1 bit. Apenas 9 bits são utilizados:
  • 4 mais utilizados: ZF - zero; CF - carry ("vai um“) ou borrow (“vem um”); SF - sinal; e OF - overflow ou underflow.

Organização dos Registradores – Família Intel

Unidade de Controle

• Gerencia os recursos disponíveis e o fluxo de dados entre os componentes.

• Controla a execução das instruções pela CPU:
  • Busca as instruções na memória principal.
  • Decodificação das instruções (geração dos sinais de controle correspondentes).
  • Seqüenciamento das operações.
  • Disparo da execução (envio dos sinais de controle).

• Representa uma das partes mais difíceis de ser projetada em um computador, devido à complexidade dos processadores.

Estrutura

Ciclo de Ciclo de Busca-Execução (fetch-execute execute)

1. Busca a instrução (memória → IR);
2. Altera PC para indicar a próxima instrução;
3. Decodifica a instrução atual;
4. Determina o endereço e busca o operando na memória (quando necessário);
5. Executa a operação (sinais de controle);
6. Armazena os resultados;
7. Repete passos anteriores.

Categorias de Instruções

• Movimentação processador – memória: Transferência de dados entre CPU e memória principal.
• Movimentação processador - E/S: Transferência de dados entre CPU e módulos de E/S.
• Processamento de dados: Realiza alguma operação lógica ou aritmética nos dados.
• Operações de controle: Alteração na seqüência de execução de instruções. Ex: desvios condicionais e não-condicionais (jump)
• Qualquer combinação das operações acima

Máquina Hipotética (32 bits)

Interrupções

Mecanismos pelos quais outros componentes podem interromper a seqüência normal do processamento.

• Visa melhorar a eficiência do processamento.

• Fontes de interrupções mais comuns:
  • Programa (Software): gerada por alguma condição que ocorra como resultado da execução de uma instrução. Ex: overflow, divisão por zero, instrução ilegal etc.
  • Timer: gerada pelo processamento interno do relógio (timer). Usado em sistemas sistemas multi-tarefa preemptivos para executar certas funções a intervalos regulares de tempo.
  • E/S: gerada pelo módulo de E/S para sinalizar a conclusão uma operação ou a ocorrência de uma situação de erro.
  • Falha de Hardware: gerada na ocorrência de uma falha. Ex: queda de energia, erro de paridade de memória

Controle do fluxo do programa

Ciclo de interrupção:

• Acrescentado ao ciclo de instrução.
• Processador verifica se há interrupção: Indicado por um sinal de interrupção.
• Se não há interrupção, busca a próxima instrução na memória.
• Se houver interrupção pendente:
  • Suspende a execução do programa corrente.
  • Salva o contexto na pilha.
  • Configura PC com o endereço de início da rotina de rotina de tratamento da interrupção (interrupt handler routine).
  • Processa a interrupção.
  • Restaura o contexto.
  • Continua a execução do programa interrompido.

Ciclo de Instruções com Interrupção

Múltiplas interrupções

Desabilitar interrupções:

• O processador ignora futuras interrupções enquanto processa uma interrupção.
• Interrupção são manipuladas na seqüência em que elas acontecem.

Definir prioridades:

• Interrupções de baixa prioridade são interrompidas por interrupções de alta prioridade
• Quando a interrupção de mais alta prioridade foi processada, o processador retorna à interrupção anterior.

Execução sequencial:

Execução aninhada:

Sinal de clock

• Utilizado para atender as relações de tempo requeridas nas operações (sincronismo).
• Novas operações básicas são iniciadas em um novo ciclo de clock.
• A execução de uma instrução consome um certo nº de ciclos de clock.
  • Varia de acordo com o nº de operações básicas requeridas e o tempo de execução de cada uma delas.
• O tamanho do ciclo de clock é um dos fatores que determinam o desempenho de um processador.

< tamanho do ciclo ⇒ < tempo de execução ⇒ > nº de instruções/seg.