UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO

A Unidade Central de Processamento - UCP (em inglês, Central Processing Unity - CPU) é a responsável pelo processamento e execução dos programas armazenados na MP. As funções da UCP são: executar as instruções e controlar as operações no computador.

A UCP é composta de duas partes:

UAL - Unidade Aritmética e Lógica - tem por função a efetiva execução das instruções

UC - Unidade de Controle - tem por funções a busca, interpretação e controle de execução das instruções, e o controle dos demais componentes do computador

Obs.: Neste curso, por simplicidade, será considerado apenas o funcionamento serial em uma UCP. Outras abordagens serão discutidas no capítulo Tópicos Avançados de Arquitetura (UCP's não pipelined).

A seguir é apresentado o diagrama esquemático de uma UCP.

Registradores Importantes na UCP

• Na UC - CI Contador de Instruções (em inglês: PC - Program Counter) - armazena o endereço da próxima instrução a ser executada - tem sempre o mesmo tamanho do REM.
• Na UC - RI Registrador de Instrução (em inglês: IR - Instruction Register) - armazena a instrução a ser executada.
• Na UAL - ACC Acumulador (em inglês:ACC - Accumulator) - armazena os dados (de entrada e resultados) para as operações na UAL; o acumulador é um dos principais elementos que definem o tamanho da palavra do computador - o tamanho da palavra é igual ao tamanho do acumulador.

Instruções

Para que um programa possa ser executado por um computador, ele precisa ser constituído de uma série de instruções de máquina e estar armazenado em células sucessivas na memória principal. A UCP é responsável pela execução das instruções que estão na memória.

Quem executa um programa é o hardware e o que ele espera encontrar é um programa em linguagem de máquina (uma sequência de instruções de máquina em código binário). A linguagem de máquina é composta de códigos binários, representando instruções, endereços e dados e está totalmente vinculada ao conjunto ("set") de instruções da máquina.

Um ser humano usa seu conhecimento e inteligência para traduzir uma tarefa complexa (tal como, por exemplo, a tarefa de buscar uma pasta num arquivo) numa série de passos elementares (identificar o móvel e gaveta onde está a pasta, andar até o móvel, abrir a gaveta, encontrar a pasta, retirar a pasta e fechar a gaveta). Para o computador, uma instrução precisa ser detalhada, dividida em pequenas etapas de operações, que são dependentes do conjunto de instruções do computador e individualmente executáveis.

Fazendo um paralelo com linguagens de alto nível, o programa elaborado pelo programador (o código-fonte, composto de instruções complexas) precisa ser "traduzido" em pequenas operações elementares (primitivas) executáveis pelo hardware (ver Conceito de Processo). Cada uma das instruções tem um código binário associado, que é o código da operação.

Formato geral de uma Instrução

• Código de Operação ou OPCODE - identifica a operação a ser realizada pelo processador. É o campo da instrução cuja valor binário identifica (é o código binário) da operação a ser realizada. Este código é a entrada no decodificador de instruções na unidade de controle. Cada instrução deverá ter um código único que a identifique.
  
• Operando(s) - é ou são o(s) campo(s) da instrução cujo valor binário sinaliza a localização do dado (ou é o próprio dado) que será manipulado (processado) pela instrução durante a operação. Em geral, um operando identifica o endereço de memória onde está contido o dado que será manipulado, ou pode conter o endereço onde o resultado da operação será armazenado. Finalmente, um operando pode também indicar um Registrador (que conterá o dado propriamente dito ou um endereço de memória onde está armazenado o dado). Os operandos fornecem os dados da instrução.
  Obs: Existem instruções que não tem operando. Ex.: Instrução HALT (PARE).

O Capítulo Representação de Instruções detalha esse assunto.

Conjunto de Instruções

Quando se projeta um hardware, define-se o seu conjunto ("set") de instruções - o conjunto de instruções elementares que o hardware é capaz de executar. O projeto de um processador é centrado no seu conjunto ("set") de instruções. Essa é uma das mais básicas decisões a ser tomada pelo Engenheiro de projeto. Quanto menor e mais simples for este conjunto de instruções, mais rápido pode ser o ciclo de tempo do processador.

Funcionalmente, um processador precisa possuir instruções para:

• operações matemáticas

1. aritméticas: +, - , × , ÷ ...
2. lógicas: and, or, xor, ...
3. de complemento
4. de deslocamento

• operações de movimentação de dados (memória <--> UCP, reg <--> reg)
• operações de entrada e saida (leitura e escrita em dispositivos de E/S)
• operações de controle (desvio de seqüência de execução, parada)

As estratégias de implementação de processadores são:

• CISC - Complex Instruction Set Computer - exemplo: PC, Macintosh; um conjunto de instruções maior e mais complexo, implicando num processador mais complexo, com ciclo de processamento mais lento; ou
• RISC - Reduced Instruction Set Computer - exemplo: Power PC, Alpha, Sparc; um conjunto de instruções menor e mais simples, implicando num processador mais simples, com ciclo de processamento rápido.

Obs.: adotaremos o termo instrução para as instruções de máquina ou em linguagem Assembly e comando para linguagens de alto nível.

 Há hoje uma crescente tendência a se utilizar um conjunto de instruções reduzido, de vez que os compiladores tendem a usar em geral apenas uma pequena quantidade de instruções. Há também vantagens na implementação do hardware - maior simplicidade, menor tempo de ciclo de instrução). Este assunto será debatido no Capítulo Tópicos Avançados de Arquitetura.

O projeto de um processador poderia ser resumido em:
a) Definir o conjunto de instruções (todas as possíveis instruções que o processador poderá executar)
· definir formato e tamanho das instruções
· definir as operações elementares
b) Projetar os componentes do processador (UAL, UC, registradores, barramentos, ...)

Duas estratégias são possíveis na construção do decodificador de instruções da UC:
. wired logic (as instruções são todas implementadas em circuito)
. microcódigo (apenas um grupo básico de instruções são implementadas em circuitos; as demais são "montadas" através de microprogramas que usam as instruções básicas.

Ciclo de Instrução

As instruções são executadas sequencialmente (a não ser pela ocorrência de um desvio), uma a uma.
O CI indica a seqüência de execução, isto é, o CI controla o fluxo de execução das instruções. A seguir é ilustrado o ciclo de processamento de uma instrução.

Descrição do processamento de uma instrução na UCP:
- a UC lê o endereço da próxima instrução no CI;
- a UC transfere o endereço da próxima instrução, através do barramento interno, para o REM;
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Na página a seguir, apresentamos uma tabela com as principais