MICROPROCESSADORES Nuno Cavaco Gomes Horta Universidade Técnica de Lisboa / Instituto Superior Técnico

(1)

MICROPROCESSADORES

Unidade de Processamento

Nuno Cavaco Gomes Horta

(2)

N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2003/2004 2

Microprocessadores

Sumário

• Introdução

• Unidade de Processamento

• Unidade de Controlo

• Conjunto de Instruções

• Unidade Central de Processamento (CPU)

• Unidade de Entrada/Saída (I/O)

• Unidade de Memória

(3)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

(4)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Sistemas Digitais Complexos: Unidade de Processamento + Unidade de

Controlo

Unidade de Processamento (Datapath): Módulo responsável pela

execução

das operações

de processamento de dados.

Unidade de Controlo: Módulo responsável pelo

controlo da sequência de

operações

a executar na Datapath para implementação de uma tarefa.

(5)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Caracteriza-se pelo

conjunto de registos

e pelo

conjunto de

operações

realizado sobre os dados armazenados nos registos.

Operações Elementares sobre Registos: Shift (Deslocamento), Clear

(Apagar), Load (Carregamento), Incrementar, Decrementar, Somar, Subtrair,

etc.

Microoperações

(Aritméticas, Lógicas, Deslocamento): Operações

elementares aplicadas sobre os dados em registos.

Unidade de Controlo: Fornece os sinais que permitem sequenciar as

microoperações de um modo definido, e.g., sequência do conjunto de

operações para realizar uma multiplicação.

(6)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Caracteriza-se pelo

conjunto de registos

(Unidade

de Armazenamento) e pelo

conjunto de operações

(Unidade

Funcional) realizado sobre os

(7)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath

(Exemplo)

Unidade de Armazenamento Unidade Funcional

ALU: Unidade Logica e Aritmética Shifter: Unidade de Deslocamento

(Exemplo de Operação)

Entradas de Controlo (da U. de Controlo) • Selecção de A • Selecção de B • Selecção de G • Selecção de MB • Selecção de MF • Selecção de MD • Selecção do Destino • Carregamento do Resultado

(8)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Exemplo de

Operação:

(9)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Unidade

(10)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Registo: Elemento básico de memória que permite armazenar um conjunto

(11)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Operação de Transferência de Dados entre 2 Registos:

1

2 :

1

R

K

←

ção

Microopera

Controlo :

(12)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Simbologia: (Transferências de Registos)

(13)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Operações de Transferência entre Registos: (Multiplexagem)

2

0 :

,

1

0 :

₁ ₂ 1

R

K

R

K

←

...

(14)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Operações de Transferência entre Registos: (BUS)

Multiplexers Dedicados

BUS Único

Multiplexers Dedicados: 9 portas lógicas (3x(2AND+1OR)), 6 linhas de entrada. BUS: 4 portas lógicas (1x(3AND+1OR)), 3 linhas de entrada.

(15)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Operações de Transferência entre Registos: (BUS)

BUS Único

Exemplo:

O número de registos fonte em transferências

simultâneas condiciona o número mínimo de

(16)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Operações de Transferência entre Registos: (BUS Tri-State)

BUS Único

BUS Three-State

(17)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Operações de Transferência entre Registos: (BUS Endereços e Dados + Memória)

[ ]

AR

M

DR

READ

:

←

[ ]

AR

DR

M

WRITE

:

←

Exemplos:

[ ]

1

2 :

M

A

D

WRITE

←

[ ]

2

1 :

D

M

A

READ

←

ABD Control: 01

DBSD Control: 10

DBDD Control: 11

ABD Control: 10

DBSD Control: 11

DBDD Control: 01

(18)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath

(Exemplo)

Unidade de Armazenamento Unidade Funcional

ALU: Unidade Logica e Aritmética Shifter: Unidade de Deslocamento

(Exemplo de Operação)

Entradas de Controlo (da U. de Controlo) • Selecção de A • Selecção de B • Selecção de G • Selecção de MB • Selecção de MF • Selecção de MD • Selecção do Destino • Carregamento do Resultado

Operação relizada num 1 ciclo de relógio (Cálculo e Carregamento)

(19)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Exemplo de

Operação:

(20)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Unidade Funcional:

Unidade Aritmética

e Lógica (ALU)

(21)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Microoperações: (Aritméticas)

(22)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

(23)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Microoperações: (Deslocamento)

(24)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

(25)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

(26)

Microprocessadores

Anexo

ALU: Circuito Aritmético

?

in i i i i i

C

S

B

S

B

Y

A

X

=

+

=

0 1 0

(27)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

ALU: Circuito Aritmético

(Exemplo)

Soma

Subtracção

Incremento

Decremento

Transferência

...

?

(28)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

ALU: Circuito Lógico

(Exemplo)

AND

OR

XOR

NOT

(29)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

(30)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Unidade Funcional:

Unidade de

Deslocamento

(31)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

(32)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

(33)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Representação Hierárquica

Diagrama de Blocos:

Unidade de Armazenamento

Unidade Funcional

(34)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Representação Hierárquica

Diagrama de Blocos:

Unidade de Armazenamento

Unidade Funcional

(35)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Palavra de Controlo Palavra de Controlo:

Conjunto de bits correspondente às variáveis de controlo que permitem seleccionar as microoperações.

AA – Selecção do Registo A BA – Selecção do Registo B DA – Selecção do R. de Destino MB – Selecção do Operando B

FS – Selecção da Função na U. Funcional MD – Sel. dos Dados para R. de Destino RW - Carregamento

(36)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Codificação da Palavra de Controlo

Nota: o número de palavras

de controlo, com significado

no presente caso, não é

2^17=131072, mas apenas

(37)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

(38)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Palavra de Controlo

(Exemplo de Microoperações - Codificação)

(39)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Simulação da Execução

de uma Sequência de

(40)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Unidade de

Processamento: U.A.

Temporizações

(41)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Unidade de

Processamento: U.F.(1)

(42)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Unidade de

Processamento: U.F.(2)

Temporizações

(43)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Unidade de

Processamento: U.F.(3)

(44)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Arquitectura Convencional vs Arquitectura Pipeline

Convencional –

Unidades a funcionar

sequencialmente.

Pipeline – Unidades a

funcionar em simultaneo.

OF – Operand Fetch

EX – Execute

WB – Write Back

Pipeline oferece maior

rapidez mas obriga a

hardware adicional,

3 estruturas de Registos.

(45)

Microprocessadores

Unidade de Processamento

Datapath: Execução de Microoperações

na Arquitectura Pipeline

Execução Convencional:

7 x 12 = 84 ns

Execução Pipelined:

9 x 5 =45 ns !!

(46)

BIBLIOGRAFIA

[1] M. Morris Mano, Charles R. Kime, “Logic and Computer Design

Fundamentals”, Prentice-Hall International, Inc. (Capítulo 7)

Microprocessadores