CPU - Unidade de Controle

A CPU é o "cérebro" do processador. E possui as funções de

- Interpretação e execução dos programas da memória principal;

- Controle dos demais componentes.

Componentes

- Registradores - 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.

Registradores

Um banco de registradores são 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 Busca-Execução (fetch-execute)

Busca a instrução (memória → IR);
Altera PC para indicar a próxima instrução;
Decodifica a instrução atual;
Determina o endereço e busca o operando na memória (quando necessário);
Executa a operação (sinais de controle);
Armazena os resultados;
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.

Exercícios

[1] Quais as principais funções da CPU?

[2] Quais os principais componentes da CPU e como eles se comunicam?

[3] O que é a ULA?

[4] Qual a diferença entre os registradores de uso geral e registradores de controle?

[5] Quantos registradores a família 8088/8086 possuem? Qual o tamanho?

[6] Fale-me sobre o registrador PSW.

[7] No que ser refere a UC - qual a diferença entre: "controlar a execução de uma instrução" e "executar a instrução"?

[8] Como se dá o ciclo de busca e execução de uma instrução?

[9] Quais as categorias de instruções?

[10] O que são "interrupções" e para que servem?

[11] O que muda no ciclo de busca e execução de uma instrução em microcontroladores com "interrupções"?

[12] Como funcionam as múltiplas interrupções?

[13] O que significa: "< tamanho do ciclo ⇒ < tempo de execução ⇒ > nº de instruções/seg".

[14] O que é um barramento de computador?

[15] Qual a diferença entre um barramento serial e um paralelo?

[16] Explique o que são linhas: de dados, de endereços e de controle?

[17] Quando um dispositivo ou módulo do sistema deseja enviar ou requisitar dados para outro, como ele deve proceder?

[18] Cite barramentos computacionais típicos?

[19] Qual a diferença entre um barramento ser dedicado ou ser multiplexado?

[20] Como se dá um processo típico de arbitragem em um barramento do tipo PCI?

[21] Qual a diferença entre o barramento de cache e o barramento de memória? (ora, chace também é uma memória!)

[22] Para que servem barramentos de E/S?

[23] Vocês saberiam dizer que tipos de barramento tem o PC/Notebook que vocês usam? (não abram!)

MI1022806 2020 1 AULA07

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