Relatório_Seminario_FTI_Estrutura_e_Funcionamento_da_CPU_versao2.docx

FATEC “Dr. Ogari de Castro Pacheco”

Gestão da Tecnologia da Informação

Fundamentos da Tecnologia da Informação

Estrutura e Funcionamento da CPU

Allen Corradi de Brito

Jair Batista Junior

Renan Nunes Ferreira

Ronaldo Cordeiro

Paulo Cesar Benedito

Itapira

2014

Introdução

O objetivo do presente trabalho é apresentar de forma didática o que foi aprendido em sala de aula, dando ênfase ao funcionamento e estrutura da unidade central de processamento ou CPU (Central Processing Unit), como parte de um sistema computacional, que realiza instruções de um programa de computador, para executar a aritmética básica, a logica booleana  e o processamento de entrada e saída de dados - I/O ( Input/Output ).

Estrutura e Funcionamento da CPU

Discutiremos como o processador é organizado internamente e também alguns aspectos de componentes que o compõem incluindo seu funcionamento, como a ULA ( Unidade Lógica Aritmética) – que executa as operações logicas e aritméticas, a UC (Unidade de Controle) - que decodifica instruções, busca operandos, controla o ponto de execução e desvios, os registradores - que armazenam os dados para processamento e por fim o barramento de dados – que interliga cada componente e é usado como um caminho para a transferência da informação.

Organização do Processador

Para entender como uma CPU está organizada, devemos conhecer o processo que é realizado para o tratamento do dado, ou seja qual é o passo-a-passo que a CPU realiza para chegar a um resultado ou o que deve ser feito:

• Buscar Instruções: O processador tem de ler instruções da memória.
• Interpretar Instruções: As instruções têm de ser decodificadas para determinar as ações necessárias.
• Extrair Dados: A execução de uma instrução pode necessitar de ler dados da memória ou de um módulo de E/S.
• Processar Dados: A execução de uma instrução pode necessitar de efetuar alguma operação aritmética ou lógica sobre os dados.
• Escrever Dados: Os resultados de uma execução podem obrigar à escrita de dados na memória ou num módulo de E/S.[pic 2]

Figura 1 – A estrutura da máquina de Von Neumann, até hoje usada como base para a construção de processadores.

Contudo para que o processador possa executar essas ações, é necessário que os dados sejam armazenados temporariamente. É a partir dai que entra o elemento responsável por efetuar esse armazenamento, chamado de registrador ou registradores já que a CPU é composta por uma matriz destes.

Organização dos Registradores

Os registradores estão no nível mais alto na hierarquia de tipos de memória, eles são considerados os menores e mais rápidos dentro da pirâmide e também os mais caros.

[pic 3]

Figura 2 – Nível hierárquico dos tipos de memória

Os registradores funcionam da mesma forma que uma memória convencional, porem não são capazes de armazenar grandes quantidade de dados, outro diferencial é que como são pequenos, são capazes de serem fixados no circuito da própria CPU. Em geral eles tem duas funções: registradores visíveis para o usuário e registradores de controle e de estado.

Registradores visíveis para o usuário

Os registradores visíveis ao usuário ( no caso o programador ), podem ser referenciados pela linguagem de maquina ou assembler que a CPU executa, tanto para minimizar referencias a memória principal, quanto para otimização do uso dos registradores, eles também podem ser categorizados em registradores de:

• Uso geral – são usados para guardar qualquer operando, normalmente há restrições de uso ou são dedicados para pontos flutuantes e operações de pilha, também poder ser usados para endereçamento;
• Dados – são exclusivamente usados para armazenar informação, ou seja esse registrador não pode ser usado para mais nada a não ser guardar especificamente um dado;
• Endereços – podem de alguma maneira ser para uso geral, como no armazenamento de ponteiros e índices;
• Códigos de condições – também chamados de flags, esses registradores armazenam o resultado de operações realizadas pela CPU, como os sinais de positivo e negativo, overflow e zero – para o caso de operações aritméticas;

Registradores de controle e de estado

São registradores com a função especifica de controlar uma operação dentro do processamento da CPU, geralmente eles não são visíveis ao usuário (programador), contudo essa afirmativa depende muito da arquitetura de cada processador, sem duvida maquinas diferentes podem usar diversificados tipos de terminologias, no entanto podemos citar quatro delas como essências para a execução de qualquer instrução:

• Contador de programa (PC) – contem o endereço de memória da instrução a ser buscada;
• Registrador de instrução (IR) – contem a ultima instrução buscada.
• Registrador de endereçamento de memória (MAR) – contem o endereço de uma posição de memória;
• Registrador de armazenamento temporário de dados (MBR) – contem uma palavra de dados a ser escrita na memória ou a palavra lida mais recentemente.

Ciclo de Instrução

O ciclo de instrução pode ser descrito como o tempo que o processador leva para buscar executar um programa que é constituído por um conjunto de instruções armazenadas em memória, além disso podemos qualifica-lo como a essência do funcionamento de um computador, sendo esta sua função mais básica. Devemos entender ainda que o ciclo de instrução inclui os seguintes subciclos:

• Busca – faz a leitura da próxima instrução da memória para a CPU;
• Execução – interpreta o código de operação e a executa conforme indicado;
• Interrupção – caso exista uma interrupção, o estado atual é salvo e a interrupção é processada.

A execução de um programa consiste basicamente na repetição deste processo infinitas vezes. Sabendo disso podemos detalhar um pouco mais o ciclo de instrução, citando aqui o ciclo indireto também como um subciclo.