O Microprocessador

Nesse capítulo vamos estudar a parte mais importante de um computador, que é a Unidade Central de Processamento (UCP, ou, do inglês, CPU), também conhecida como microprocessador, ou simplesmente, processador.

A CPU é responsável não apenas por executar os programas contidos na memória, mas também por controlar todos os dispositivos de entrada e saída.

Seu avanço ao longo dos anos tem permitido que programas fossem executados cada vez mais rapidamente. Hoje temos processadores de vários núcleos capazes de executar várias atividades ao mesmo tempo. São esses processadores e funcionalidades que iremos estudar nesse capítulo.

Os programas de computador são sequências finitas de passos que foram definidas por um programador para alcançar um objetivo específico.

Cada passo desse programa é chamado de instrução.

Formato de Instrução e Codificação

Não necessariamente, uma instrução escrito em uma linguagem de alto nível, como C, Java, Python, por exemplo, é diretamente transformada em uma instrução de máquina e armazenada em memória para execução da CPU.

Na verdade, geralmente, uma instrução de uma linguagem de alto nível embute vários comandos e ações a serem executadas pela CPU.

Essa é a principal razão da criação dessas linguagens de alto nível. O programador deve ter o menor trabalho possível ao escrever um programa. Ele deve se preocupar com o problema que está tentando solucionar, e em memorizar dezenas de comandos de uma linguagem de máquina extensa e repleta de detalhes.

Após compilado, o programada de linguagem de alto nível é transformado em um programa apenas com instruções de máquina. Cada instrução de máquina contém apenas uma única operação a ser realizada pela CPU. Para ser executado, esse programa deve ser transferido para a Memória Principal.

Assim que um usuário clica com o mouse, ou pressiona a tecla Enter do teclado solicitando que um determinado programa execute, o Sistema Operacional copia o programa para a memória e solicita que a CPU o execute.

Um programa em linguagem de máquina é formado por instruções em binário. A cada instrução trazida da memória, a CPU lê seu código binário de operação para saber do que se trata, e inicia o processo de execução.

Apesar de existirem diversos fabricantes e famílias de CPUs, ou microprocessadores, pode-se identificar muitos aspectos comuns no que diz respeito à arquitetura desses componentes.

Em geral, o bom conhecimento de algum deles acelera o aprendizado de outro.

Do ponto de vista de funcionamento, basicamente um microprocessador:

lê, uma-a-uma, as instruções de um programa armazenado na memória,
obtém os seus operandos quando necessário,
manipula os dados de acordo com o especificado no código da instrução, podendo ainda,
ler dados de dispositivos de entrada e enviar dados para dispositivos de saída.

Apesar de cada Microprocessador ter suas peculiaridades, sua estrutura interna é bastante semelhante e pode ser generalizada.

A estrutura interna de um Microprocessador pode ser ilustrada na figura 2.1.

Por exemplo, a arquitetura interna de um processador ARM é:

Para administrar operações de leitura/escrita da memória ou de uma E/S de dados são necessárias:

uma unidade de controle, que orienta a busca ou o envio das informações, faz a decodificação e execução das instruções e fornece os sinais de temporização adequados para as diversas partes do processador e do próprio computador;
uma pequena capacidade de memória onde estas informações (dados, endereços e instruções) possam ficar temporariamente armazenadas (registrador de uso geral); e
alguns barramentos (ou vias) onde possam ser manipulados os dados, os endereços e

os sinais de controle.

Para executar operações aritméticas e lógicas é necessária a presença de uma ALU (arithmetic and logic unit – unidade lógica/aritmética).

Para interpretar as instruções estabelecidas por um programa devem existir:

um decodificador de instrução (microcódigo) e;
um registrador de instrução, no qual a instrução recebida fica temporariamente

armazenada.

Um Microprocessador é a parte principal de um microcomputador e a sua principal responsabilidade é executar instruções, que em última análise controlam todas as suas partes.

Unidade Lógica e Aritmética (ULA)

A Unidade Lógica e Aritmética, ou ULA, se assemelha muito com uma calculadora convencional. Ela executa operações lógicas (NOT, AND, OR, XOR) e aritméticas (geralmente adição, subtração, multiplicação, divisão, dependendo do microprocessador).

As ULAs modernas executam operações tanto com inteiros, como com números reais. Em algumas arquiteturas, porém, estas operações são realizadas por módulos separados: a ULA, para inteiros, e a UPF - Unidade de Ponto Flutuante (ou FPU), para reais.

A inclusão da FPU veio permitir a execução de operações antes só possíveis com o auxílio de um coprocessador aritmético (operações em ponto flutuante).

A ULA recebe como entrada dois diferentes dados que são trazidos para ela dos registradores.

Quem decide que registradores passarão seus dados para a ULA é a Unidade de Controle, baseada na instrução que está sendo executada.

A Unidade de Controle também envia para a ULA qual operação será realizada (soma, multiplicação, divisão, AND, OR, comparação, etc). Assim que isso é feito, a ULA executa a operação e gera um resultado na sua saída.

Esse resultado também é passado para um registrador escolhido pela Unidade de Controle, baseando-se na instrução em execução. Normalmente, o resultado de uma operação é armazenado no acumulador.

Registradores

Os registradores são um conjunto de memórias locais rápidas do microprocessador, destinada ao armazenamento de dados e instruções.

São elaboradas com o mínimo de transistores possível, utilizando o que há de mais moderno em tecnologia de armazenamento.

São as memórias mais rápidas que podem ser construídas e por isso são também as mais caras. Por essa razão, aparecem numa quantidade muito pequena em um computador, na casa de alguns KBytes.

Eles podem ser divididos em dois grupos: Os registradores de propósito geral, e os de propósito específico.

De propósito geral: como o próprio nome diz, são utilizados pelos programas para quaisquer objetivos gerais, como por exemplo, para as operações de movimentação de dados e operações lógicas e aritméticas.
Especiais: são registradores com funções específicas para determinados fins e tarefas.

Os registradores de propósito geral são utilizados para guardar as variáveis dos programas. Como eles estão presentes em quantidades muito pequenas, são poucas as variáveis que ficam armazenadas em registradores. As demais ficam na Memória Principal.

Quando uma operação precisa ser realizada e seus dados estão nos Registradores de Propósito Geral, a CPU não precisa buscá-los na memória e o processamento torna-se muito mais rápido.

Nota 1

Lembre-se que as memórias são muito mais lentas do que os processadores! Da ordem de 10 x mais lentas. A CPU tenta ao máximo manter as variáveis mais utilizadas nos registradores. Ela faz isso guardando aquelas mais usadas nas últimas operações. Nem sempre isso funciona, mas no geral, é a melhor solução.

Nota 2

O modificador register da linguagem C obriga a CPU a armazenar uma determinada variável inteira (por exemplo, contadora) no banco de registradores PPG.

Os registradores especiais são utilizados para funções específicas. Normalmente, para armazenar palavras especiais ou para sinalizar status do processador.

São exemplos de registradores especiais:

Acumulador

É o principal registrador dentro de um processador, participando da maioria das operações lógicas e aritméticas, sendo em geral fonte de um dos operandos, e destino dos resultados das operações, além de participar das operações de entrada e saída de dados.

Registrador de Flags

Armazena os indicadores de estado do processador (1 bit cada estado), como a ocorrência de um estouro numa operação aritmética, ou a ocorrência de um resultado nulo, dentre outros.

Contador do Programa: (“Program Counter” - PC)

O PC contém o endereço de memória que será utilizado para buscar a próxima instrução a ser executada pela CPU. Antes de executar qualquer instrução, a CPU envia o conteúdo de PC para a memória, através do Barramento de Endereço, a memória envia o conteúdo da memória nesse endereço, através do Barramento de Dados. Esse conteúdo é então armazenado no IR.

É o registrador, então, que armazena o endereço de memória do início da próxima instrução a ser executada. Após a leitura de um byte de uma instrução, o contador do programa é incrementado, apontando para o seu próximo byte (se houver).

Ao final da instrução, o contador do programa sempre armazena o endereço da próxima instrução a ser executada. O valor do contador do programa pode mudar de forma não sequencial quando alguma instrução de desvio ou chamada de sub-rotina é executada, sendo um novo endereço carregado neste registrador.

Registrador de Instruções ("Instruction Register" - IR)

Já o IR, que recebeu a instrução que veio da memória, tem o objetivo de guardar a instrução e passá-la para a Unidade de Controle, que é quem vai lê-la e tomar as decisões necessárias para que ela seja executada pela Unidade de Ciclo de Dados.

Por se tratar do processo de busca de instruções, o PC e o IR ficam instalados na Unidade de Controle. O PC possui conexão direta com o Barramento de Endereços, e o IR, com o Barramento de Instruções.

Registrador de Endereço de Memória ("Memory Address Register" - MAR) e Registrador de Buffer de Memória ("Memory Buffer Register" - MBR)

Com relação ao MAR e ao MBR, eles possuem funções análogas ao PC e IR, respectivamente, mas referentes a dados e não a instruções.

Quando uma operação precisa ser realizada com algum dado que está na memória (e não em um registrador), o endereço desse dado é passado para o MAR.

A CPU então passa o conteúdo de MAR para a memória através do Barramento de Endereço, que retornará o conteúdo da memória nesse endereço através do Barramento de Dados.

O conteúdo trazido pela memória será armazenado em MBR. Só então o dado poderá ser utilizado para o processamento inicialmente planejado.

O MBR e MAR possuem, respectivamente, conexões diretas com os Barramentos de Dados e de Endereços. Ambos são situados na Unidade de Ciclo de Dados, por serem utilizados nas fases de processamento das instruções.

Ponteiro da Pilha: (“Stack Pointer” - SP)

Armazena o endereço da última posição ocupada da pilha (topo da pilha).

A pilha é uma estrutura de dados do tipo LIFO (“Last In First Out”), sendo utilizada para armazenamento temporário de dados, como o endereço de retorno de uma sub-rotina ou o salvamento de registradores do microprocessador.

Em muitos microprocessadores, quando um dado é inserido na pilha, o Stack Pointer é decrementado, ocorrendo o inverso quando um dado é retirado

O tamanho e quantidade dos registradores de uma CPU é uma das principais decisões de projeto. Se forem grandes demais, ou em quantidade maior do que a necessária, podem resultar em desperdício e aumento desnecessário no preço do processador. Já se forem pequenos, ou em pouca quantidade, com certeza vão tornar o computador muito mais lento do que o desejado. Encontrar o tamanho e quantidade ideias é trabalhoso e geralmente é feito através de simuladores e de muito testes e anos de experiência.

Registradores do ARM7

O processador ARM tem 37 registradores, mas apenas 17 (ou 18, em alguns modos de operação) são acessíveis a cada momento.

Dos registradores acessíveis, 13 são registradores de propósito geral (r0 a r12).

Os outros quatro registradores têm funções específicas:

sp (do inglês stack pointer), apontador de pilha, também acessado pelo nome r13.
lr (do inglês link register), registrador de ligação, também acessado pelo nome r14. Esse registrador recebe o endereço de retorno em chamadas de procedimento.
pc (do inglês program counter), contador de programa, também acessado pelo nome r15. Indica o endereço da próxima instrução a ser executada.
CPSR (do inglês current program status register, registrador de estado corrente do programa), similar ao registrador de bits de status.

Os registradores acessíveis em um dado momento formam o “banco” de registradores disponíveis ao programador.

O banco de registradores, em momentos diferentes de execução, é constituído por diferentes registradores físicos.

O modo de operação corrente determina a composição dos registradores que formam o banco.

A Figura abaixo ilustra a composição do banco de registradores para cada modo de operação do processador.

Na Figura, os registradores estão numerados de 0 a 36 (canto superior direito de cada registrador), indicando os 37 registradores físicos.

Unidade de Controle (UC)

Todos as funções de um microprocessador são controladas pela UC.

Ela retira cada instrução da memória (operação de busca ou fetch), interpretando-a (operação chamada de decodificação), fornecendo os sinais de controle necessários à sua execução.

A UC em geral é constituída pelas seguintes partes:

Circuitos de Temporização (Gerador de Clock): implementam o funcionamento síncrono do processador, indicando os instantes onde cada etapa da execução de uma instrução deve ocorrer. Em geral, o sinal de temporização (“clock”) é fornecido por um circuito oscilador a cristal associado a um circuito quadrador do sinal.

Controle e Decodificação (Memória de Microprogramas): memória de apenas leitura que possui as atividades internas que devem ser realizadas para a execução de cada instrução.

Decodificador de Instrução: recebe a instrução que estava armazenada na memória e gera os códigos do Microprograma que realizará a tarefa definida por ela.

Em outras palavras:

A Unidade de Controle é responsável por receber instruções pelo Barramento de Instruções. Ao receber a instrução que está armazenada em IR, a decodifica e envia os sinais de controle para onde for necessário.

Decodificar nada mais é do que ler um código em binário e interpretar a operação relativa a esse código. Dependendo da operação, os sinais de controle podem ser internos, por exemplo, para a ULA executar uma soma, ou para o conteúdo de um registrador ser transferido para a ULA. Ou pode ser externo, para um dispositivo de entrada e saída, por exemplo, ou mesmo para a Memória Principal. Tudo isso depende da instrução a ser executada.

A Unidade de Controle não executa as instruções.

Ela as lê, decodifica e passa os comandos para a Unidade de Ciclo de Dados (UCD) determinando como as instruções devem ser executadas e com quais dados.

Baseada nessas comandos, a UCD pode ir buscar os dados necessários na memória, executa as devidas operações e envia o resultado de volta para a memória para ser armazenado. Tudo controlado de acordo com os comandos internos enviados pela Unidade de Controle, que por sua vez se baseia na instrução decodificada. Os dados lidos, ou enviados para a memória, são transmitidos através do Barramento de Dados. Os endereços são enviados para a memória através do Barramento de Endereço.

Tudo isso é controlado por um sinal síncrono de relógio (clock, do inglês).

A cada ciclo do relógio a unidade sabe que deve executar um passo, passar os dados para quem deve, e se preparar para o próximo passo.

Quanto mais rápido é o relógio mais operações por segundo o processador consegue executar e mais rápido pode se tornar. A velocidade do relógio é medida em frequência, utilizando a unidade Hertz (abreviatura é Hz).

Um hertz significa um ciclo por segundo.

Os processadores atuais trabalham na faixa dos poucos GHz, entre 1 GHz e 5 GHz. Um Giga hertz significa um bilhão de passos por segundo.

Na próxima seção será apresentada a execução de instruções em mais detalhes, o que facilitará o entendimento do funcionamento das CPUs.

Ciclo de Instrução

Toda CPU trabalha em dois ciclos principais, o Ciclo de Busca e o Ciclo de Execução, como pode ser visto na figura abaixo. Assim que o computador é iniciado, a CPU entra no Ciclo de Busca, em seguida passa para o Ciclo de Execução e depois volta para o Ciclo de Busca. Ela continua nesse processo até que precise ser desligada, saindo do Ciclo de Execução para o estado final.

Durante o Ciclo de Busca, é a Unidade de Controle que atua. Uma nova instrução é busca da Memória para que possa ser decodificada. Nessa fase os registradores PC e IR são utilizados, como apresentados na seção anterior. O PC é logo lido para se saber que instrução será executada, essa instrução é trazida para o IR e, finalmente, é decodificada pela Unidade de Controle. Assim que esse processo termina, caso a instrução não diga respeito à um laço, ou à uma repetição, o conteúdo de PC é incrementado. Ou seja, PC recebe PC + 1. Assim, no próximo Ciclo de Busca a instrução do endereço seguinte será carregada da memória e executada. Esse comportamento garante a característica de execução sequencial dos programas.

No passo seguinte a CPU entra em Ciclo de Execução. Nessa etapa atua a Unidade de Ciclo de Dados. Agora a Unidade de Controle já sabe exatamente que operação será executada, com quais dados e o que fazer com o resultado. Essa informação é passada para a ULA e os registradores envolvidos. Durante o Ciclo de Execução há cinco possíveis tipos de operação que podem ser executadas:

Processador e memória - trata simplesmente da transferência de dados entre CPU e memória principal;

Processador e Entrada e Saída - diz respeito à transferência de dados entre a CPU e um dispositivo de Entrada e Saída, como teclado, mouse, monitor, rede, impressora etc.;

Processamento de Dados - são operações simplesmente de processamento dos dados, como operação aritmética ou lógica sobre os registradores da CPU;

Controle - são instruções que servem para controlar os dispositivos do computador, como para ligar um periférico, iniciar uma operação do disco rígido, ou transferir um dado que acabou de chegar pela Internet para a Memória Principal;

Operações compostas - são operações que combinam uma ou mais instruções das outras em uma mesma operação.

Busca de Dados

Em operações entre Processador e Memória, é necessário que dados sejam trazidos da memória para servirem de entrada para a ULA, e/ou o resultado seja levado para armazenamento na memória no final da execução.

Para isso acontecer, é executada uma Busca de Dados.

Isso é determinado durante a decodificarão da instrução, no ciclo de Busca de Instrução.

Isso acontece quando um dos parâmetros de uma operação aritmética é um endereço de memória, e não um valor diretamente, nem um registrador.

Para isso, parte do conteúdo de IR é transferido para o MAR. Essa parte é justamente o endereço do parâmetro da instrução. Em seguida a Unidade do Controle requisita à memória uma leitura. Assim, o endereço, agora em MAR, é passado para a memória e o conteúdo lido da memória é passado para o MBR. Agora o conteúdo é transferido para a ULA para que a operação seja executada (lógica ou aritmética).

Se a instrução tiver dois ou mais parâmetros de memória, serão necessárias outras Buscas de Dados. Como a memória é sempre mais lenta do que a CPU, instruções que necessitam Buscas de Dados são muito mais lentas do que instruções de Processamento de Dados.

Perceba que cada instrução pode exigir mais tempo de execução do que outras. Isso depende de quantos acessos à memória ela exigirá. Quanto mais acessos à memória, mais lenta a instrução. O ideal é sempre usar registradores. O que os computadores sempre tentam fazer é passar os dados da memória para os registradores assim que puderem, para que as próximas instruções sejam aceleradas.

Interrupções

Além do ciclo básico de instrução apresentado anteriormente, a CPU pode ainda executar outro tipo de tarefa.

Ela diz respeito ao processamento de pedidos oriundos dos dispositivos de Entrada e Saída.

Como o Ciclo de Instrução da CPU que vimos até o momento é fechado, ou seja, a CPU sempre fica em estado de repetição até que seja desligada, ela não pode atender a nenhum evento externo que não seja a execução de um programa.

Por exemplo, quando um usuário pressiona uma tecla do teclado, ou faz um movimento com o mouse, ou mesmo, quando uma mensagem chega pela Internet através da placa de rede.

O que a CPU deve fazer? Se ela estiver em um Ciclo de Instrução fechado como mostrado anteriormente, nada. Ela precisa parar o que está fazendo para atender ao evento ocorrido e, só então, voltar ao Ciclo de Instruções. Esse processo de parar o Ciclo de Instrução para atender a um evento externo é chamado de Interrupção.

O Ciclo de Instrução pode agora ser visto modificado na figura abaixo para atender às Interrupções. Todas interrupções são recebidas e armazenadas internamente por um dispositivo chamado Gerenciador de Interrupções. Esse dispositivo é um chip, semelhante à uma CPU, mas bem mais simples.

Sempre que uma nova interrupção chega nesse gerenciador, ele armazena esse código em sua memória e manda um sinal para CPU através do Barramento e Controle. Durante seu Ciclo de Instrução, sempre que uma instrução é executada, antes de voltar para o Ciclo de Busca, a CPU chega de algum sinal de interrupção foi enviado pelo Gerenciador de Interrupção.

Quando não há uma interrupção, a execução volta ao Ciclo de Busca e o programa em execução continua a ser executado. Mas se houver uma interrupção, a CPU agora vai parar a execução do programa atual para atender a interrupção.

Por exemplo, vamos supor que o usuário pressionou uma tecla do teclado. O código armazenado pelo Gerenciador de Interrupção indica que a interrupção veio do teclado. A CPU para sua execução do programa anterior e vai iniciar a execução de um programa especial, o Tratador de Interrupção.

O código do dispositivo (aqui seria o teclado) serve para a CPU saber o endereço do Tratador de Interrupção ela vai buscar da memória.

Então, ao sair do Checagem de Interrupção, a CPU muda o endereço do PC para o endereço do Tratador de Instrução. Assim, no Ciclo de Busca a próxima instrução a ser trazida da memória e posteriormente executada será a do tratador do teclado.

Cada tipo de interrupção precisa de um tratamento específico a ser feito. No caso do teclado, o tratador vai checar que tecla foi pressionada. Isso é feito através de uma leitura à memória do teclado (sim, todos dispositivos possuem uma pequena memória) para saber que tecla foi pressionada. Dependendo da tecla, uma operação diferente será executada.

Geralmente, a CPU adiciona o código da tecla pressionada num endereço específico de memória. Cada programa, lendo essa informação, tomará sua própria decisão sobre o que deve ser feito. O que acontece é que apenas o programa ativo no momento, vai ler esse conteúdo, executar a ação da tecla e limpar essa área de memória. Se o programa for um editor de texto, por exemplo, o código pode representar escrever a letra pressionada na posição atual do cursor dentro do texto.

Quando esse processo encerra, o tratamento é encerrado, e a CPU deve voltar a execução do programa que havia sido interrompido. Isso só é possível porque, antes de passar a execução do Tratador de Interrupção, a CPU salva os conteúdos de todos os registradores da CPU (inclusive o PC e o IR).

Então, antes de devolver a execução para o programa, CPU restaura todos os valores dos registradores antes salvos. Dessa forma, o programa retoma exatamente do ponto em que parou.

As interrupções também ocorrem se o próprio programa em execução executar uma operação ilegal.

Isso é feito para evitar que a CPU entre em erro.

Por exemplo, se um programa tentar acessar uma área da memória que é proibida para ele, como a área de outro programa ou do Sistema Operacional.

Nesse caso, o programa é interrompido e não volta mais a executar, ele é finalizado e a execução é devolvida ao Sistema Operacional.

Algo semelhante ocorre em caso de defeitos em alguns dispositivos.

Por exemplo, se um programa estiver lendo um arquivo que está em um pendrive, e esse pendrive é removido subitamente, uma interrupção é lançada e o programa é encerrado, já que ele não faz mais sentido estar em execução.

Sobre o desempenho

É possível agora perceber que o desempenho das CPUs depende de muito outros fatores além da velocidade do seu clock.

O computador precisa ter memórias rápidas para reduzir o tempo dos Ciclos de Busca, precisa de mais registradores para usar menos a memória e também que poucas interrupções ocorram.

Cada vez que uma interrupção ocorre, o programa deve ser interrompido e a chamada deve ser atendida.

Isso vai atrasar demais o tempo de execução dos programas, dando a impressão de baixo desempenho.

Basicamente, há dois tipos programas, os orientados à CPU e os orientados a Entrada e Saída. Na figura abaixo, o comportamento dos primeiros é mostrado na parte a) e o dos segundos na parte b).

Quando um programa é orientado à CPU, há momentos longos de processamento de CPU e curtos momentos de espera por um evento de Entrada e Saída.

É o exemplo de programas que fazem muitos cálculos matemáticos, como ferramentas de simulação, projetos de engenharia, computação gráfica e planilhas de cálculos. Inicialmente os dados de entrada são passados por um dispositivo de entrada, há longos momentos de cálculos e depois os resultados são passados para um dispositivo de entrada e saída.

Já nos programas orientados à Entrada e Saída (b), são aqueles chamados também de interativos.

Há muitos momentos de interação e uso de dispositivos de Entrada e Saída, e poucos momentos de uso de CPU. Como é o caso de programas que usam muito de mouse e teclado, como os jogos e a própria navegação na internet.

O que temos que ter em mente é que o desempenho de um computador está muito ligado ao perfil de cada usuário.

Os Sistemas Operacionais são os responsáveis por escolher que tarefa colocar para executar a cada momento e por quanto tempo ela deve executar até que uma nova tarefa entre em execução. Assim, o papel do Sistema Operacional também é fundamental e determinante no desempenho do sistema. O que ele tenta fazer no máximo que pode, é tentar ocupar os tempos de espera de um programa com a execução de outro. Tarefa nada fácil!

Exemplo de execução de um programa

Suponha que queiramos executar uma instrução de máquina que soma dois números que estão na memória e salve o resultado em outro endereço de memória. : Exemplo

int x=10, y=20, z; // x foi criado no endereço 101, y, no 102 e z, no 100
...
z = x + y;

Para tal, vamos indicar que a memória (M) se comporta como um vetor (um array) e entre colchetes indicaremos o endereço do dado, ou da instrução.

Sendo assim, a instrução que gostaríamos de executar seria:

200: M[100] = M[101] + M[102]

Nesse caso, vamos ler que no endereço 200 da memória há uma instrução que precisa somar o conteúdo do endereço 101, com o conteúdo do endereço 102 e salvar o resultado no endereço 100 da memória.

Supondo que M[101] contenha o valor 10, e M[102] contenha o valor 20, ao final da execução, o endereço 100 de memória (M[100]) deverá conter o valor 30.

Como uma instrução como essa será executada depende de cada arquitetura.

Aqui vamos utilizar uma abordagem que quebra as instruções em pequenos passos simples, que facilitam o trabalho de decodificarão da CPU.

Sendo assim, esse programa seria transformado na seguinte sequência de instruções e executado.

PC = 200;
//Envia comando de leitura de instrução para a memória
IR <- (M[100] = M[101] + M[102]) // Busca instrução da memória
PC = PC + 1
//Instrução é passada do IR para a Unidade de Controle

A primeira ação seria realizar o Ciclo de Busca, visando trazer a instrução a ser executada da memória para o processador.

O endereço da instrução (200) seria passado para o PC e um comando de leitura de instrução seria passado para a memória.

Baseada no endereço trazido por PC, a memória localizaria a instrução e a enviaria para o processador, que a armazenaria no registrador IR.

Antes de passar a instrução para a Unidade de Controle para dar início à execução, o registrador PC é atualizado para o próximo endereço de memória, no caso, 201.

O próximo passo será iniciar o Ciclo de Execução:

//O primeiro dado é trazido da memória para o registrador R1
MAR = 101
//Envia comando de leitura de dado para a memória
MBR <- 10
R1 = MBR    // valor lido da memória é passado para o registrador R1

Como os dados a serem operados estão também na memória, é antes necessário executar uma operação de Busca de Operando, ou Busca de Dado.

O primeiro operando está no endereço 101. Sendo assim, o endereço 101 é passado para o registrador de endereço (MAR). Esse endereço é passado para a memória e é enviado um comando de leitura de dado.

O conteúdo, o valor 10, é então localizado pela memória e enviado para o processador, que o armazena no registrador de dados (MBR). Como o MBR será utilizado nas próximas etapas de execução, seu conteúdo é salvo em um registrador de propósito específico, o R1.

Em seguida, a Unidade de Controle passa para a busca do segundo operando, contido no endereço 102:

//O segundo dado é trazido da memória para o registrador R1
MAR = 102
//Envia comando de leitura de dado para a memória
MBR <- 20
R2 = MBR   // valor lido da memória é passado para o registrador R2

Essa etapa ainda faz parte do Ciclo de Execução, e também diz respeito à uma Busca de Dado. A busca é mesma do passo anterior, mas agora o endereço buscado é o 102, e o conteúdo é o 20, que é repassado para o registrador R2.

O próximo passo do Ciclo de Execução é executar a operação aritmética propriamente dita.

Isso geralmente é feito entre registradores de propósito geral, por serem mais rápidos do que se fosse tratar dados da memória.

Os conteúdos de R1 e R2 são somados e armazenados em R3:

R3 = R1 + R2

Para finalizar o processo, o resultado deve ser armazenado de volta na memória:

MAR = 100   // Endereço é passado para MAR
MBR = R3    // Resultado da operação é passado para MBR
// Comando de escrita é passado para a memória
M[100] <- 30    // Endereço 100 da memória recebe o valor 30

Para isso ser realizado, é preciso executar uma operação de escrita na memória.

O endereço 100 é então passado para MAR e o resultado da operação, salvo em R3 é passado para MBR.

Quando o comando de escrita é enviado pela Unidade de Controle para a memória, ela lê o endereço 100 pelo Barramento de Endereço e o valor 30 pelo Barramento de Dados e salva, então, o valor 30 no endereço 100.

Com isso a operação é finalizada. Essa operação foi executada em aproximadamente 14 passos.

Esse valor é aproximado porque alguns deles são apenas o envio de sinal para a memória, e isso geralmente é feito em paralelo com o passo seguinte.

Se cada passo for executado dentro um ciclo do relógio (ou ciclo de clock), teremos 14 ciclos de clock para uma única instrução.

Mas perceba que o acesso à memória é sempre mais lento do que a execução do processador. Se cada acesso à memória levar 3 ciclos de clock, teremos um total de 20 ciclos de clock.

Nota

Apenas uma memória tipo Cache poderia ser acessada com apenas 3 ciclos de clock. Uma memória principal convencional precisa de entre 10 e 15 ciclos de clock para ser lida. Depende de sua tecnologia (e preço!). Parece bastante, mas algumas instruções podem levar muito mais ciclos do que isso, como operações com Ponto Flutuante (números reais), ou de acesso à um periférico, como o disco rígido. Isso depende muito de como o projeto do computador é elaborado.

Apesar do computador parecer pouco efetivo na execução de uma simples soma, como ele executa numa frequência de clock muito alta, ele acaba executando muitas operações por segundo.

Então, utilizar apenas a frequência de clock como medida de desempenho não é uma boa ideia.

O mais utilizado é medir a quantidade de operações aritméticas que o processador é capaz de executar por segundo.

Hoje em dia um computador pessoal está na escala dos alguns Milhões de Instruções por Segundo (ou MIPS).

Nos capítulos a seguir vamos estudar como essas e outras medidas de despenho podem ser calculadas.

Barramentos Internos

Um barramento ou via ou bus é um conjunto de pinos/conexões do microprocessador por onde trafegam um ou mais sinais de hardware.

Um microprocessador possui três tipos de barramentos utilizados para transporte: bus de dados, bus de endereços e bus de controle.

Os barramentos internos ou vias internas interligam os diversos componentes do microprocessador, conduzindo dados e endereços.

Para facilitar a visualização, os Barramentos de Dados e de Endereço são apresentados replicados, tanto do lado esquerdo, quanto do direito da figura.

Barramento de dados

Barramento bidirecional, utilizado para realizar o intercâmbio de dados e instruções com o exterior. Uma das principais características de um microprocessador é o número de bits que o barramento de dados pode transferir, que determina se o processador é de 8, 16, 32 ou 64 bits.

Determina o número de bits da palavra de dados que pode ser transferida de/para o microprocessador e, também (quase sempre) o tamanho da palavra de dados que pode ser operada pela ALU.

Barramento de endereços

Barramento unidirecional, constituído de um conjunto de linhas de endereço que indicam a posição de memória onde se encontra o dado requisitado. Uma vez dada a posição, a informação armazenada na memória passará à CPU através do barramento de dados.

Define a quantidade de posições de memória e/ou de portas de entrada/saída que podem ser acessadas pelo microprocessador (para n bits do barramento de endereços, 2n bytes de memória podem ser endereçados, ou seja, 2n endereços físicos podem ser acessados – capacidade de endereçamento).

Barramento de controle

Barramento bidirecional, formado por um número variável de linhas, através das quais se controlam as unidades complementares (habilitação e desabilitação das memórias para leitura e escrita, permissão para periféricos ou coprocessadores acessarem as vias de dados e endereços).

Transfere, para as diversas partes do sistema, sinais que definem e orientam toda a sua operação. Sinais de controle típicos de um microprocessador são:

leia de uma posição de memória (memory read);
leia de uma porta de E/S (I/O read);
escreva em uma posição de memória (memory write);
escreva em uma porta de E/S (I/O write);
pedido de interrupção de programa (interruption request);
pedido de uso de vias (bus request ou hold request);
pedido de espera (wait ou ready);
sinal de relógio (clock); e
sinal de partida/reinício (reset).

A comunicação da Unidade de Controle e da Unidade de Ciclo de Dados é feita sempre com a Memória Principal através dos barramentos.

Os endereços são transmitidos sempre via Barramento de Endereços para a memória, sempre de forma unidirecional da CPU para a memória.

Quando as instruções são transmitidas da memória para a Unidade de Controle, elas utilizam o Barramento de Dados. Isso porque as instruções são tratadas pela memória como um conteúdo como um outro qualquer. Ela não faz distinção entre dados e instruções. O mesmo Barramento de Dados é utilizado pela Unidade de Ciclo de Dados para receber os operando das operações a serem realizadas e para enviar os resultados de volta para a memória.

Fica claro então a importância da Memória Principal.

Todo e qualquer programa só poderá ser executado a partir dela.

Quando você, por exemplo, deseja executar um programa de um pendrive conectado pela USB do computador, ele antes precisa ser copiado para a Memória Principal.

Só então ele será executado. A memória precisa ser grande o bastante para armazenar a maior quantidade possível de programas, e também precisa ser rápida o suficiente para buscar os dados e enviá-los o mais rapidamente possível à CPU, e também salvá-los no menor tempo possível. A velocidade das memórias é determinada essencialmente pela tecnologia de transistores utilizada. Essa tecnologia é relacionada ao preço. Quanto mais rápidas, mais caras elas são.

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