Organização e Arquitetura de
Computadores
Capítulo 11
Estrutura e Funções da CPU
Parte I
Funcionalidades da CPU
Registradores
Ciclo de Instruções
Organização da CPU
Funcionalidades da CPU

Em um ciclo de instruções, envolve-se:
• Buscar instruções

CPU lê uma instrução da memória
• Interpretar instruções

Instrução é decodificada para determinar a ação requerida
• Buscar dados

Busca dados na memória ou dispositivos de E/S
• Processar dados

Execução de uma instrução sobre os dados
• Escrever dados

Escrever dados na memória ou dispositivos
Registradores

A CPU deve ter algum espaço para trabalho
• armazenamento temporário

Registradores
• Número e funções dos registradores variam entre os
projetos dos processadores
• Uma das mais importantes decisões de projeto

Duas funções:
• Registradores visíveis ao usuário
• Registradores de controle e de estado
Registradores visíveis ao usuário


Podem ser referenciados pela linguagem de
máquina que a CPU executa
Categorias:
•
•
•
•
De propósito geral
Dados
Endereços
Códigos de condição
Registradores de propósito geral



Podem ser usados para uma variedade de
funções
Qualquer registrador pode conter um operando
para uma instrução qualquer
Excessões:
• Números em ponto flutuante
• Operações com a pilha

Podem ainda ser utilizados para endereçamento
Registradores de Dados


Usados apenas para dados
Não podem ser utilizados no cálculo de
endereço de operandos
Registradores de Endereço

Utilizados para endereçamento
• Podem ser utilizados como registradores de propósito
geral

Exemplos:
• Registrador de segmento
• Registradores de Índices
• Apontador para o topo da pilha
Registradores de propósito geral:
prós e contras

Qual o limite entre definir registradores de
propósito geral ou específicos?
• Propósito geral: maximiza a flexibilidade das
instruções
• Propósito específico: a execução de operação busca o
registrador específico, sendo necessário somente
definir qual o registrador específico
• Não existe a melhor solução
Quantos registradores são suficientes?

Mais registradores
• permite mais operandos serem tratados na CPU
• causam um aumento no tamanho do campo
necessário para especificar o registrador na instrução

Menos registradores
• mais referências a memória

Ideal
• Entre 8 e 32
• RISC (centenas)
Qual o tamanho do registrador?


Devem ser capazes de armazenar o maior
endereço usado no sistema
Registradores de dados devem ser capazes de
conter valores da maioria dos tipos de dados
• Por exemplo, não é necessário ter registradores de
64 bits se a maioria dos operações com dados
utilizam operandos com 32 ou 16 bits
Registradores de Código de Condição


Flags
Conjunto de bits individuais
• e.x. resultado da última operação é zero

Pode ser implicitamente lido por programas
• e.x. Jump se zero

Não pode ser (normalmente) configurado por
programas
Registradores de Controle e Status

Registradores utilizados durante as fases de
busca, decodificação e execução das instruções
• Muitos não são visíveis ao usuário
• Alguns são visíveis mas não podem ser alterados


Modo de controle
Sistema Operacional
Registradores de Controle e Status

Contador de Programa
• Program Counter - PC
• Contém o endereço da instrução a ser buscada

Registrador de Instrução
• Instruction Register – IR
• Contém a última instrução buscada
Registradores de Controle e Status

Registrador de endereçamento à memória
• Memory address register - MAR
• Contém o endereço de uma posição de memória

Registrador de armazenamento temporário de
dados
• Memory Data/Buffer Register – MBR
• Contém uma palavra de dados a ser escrita na
memória ou a palavra lida mais recentemente
Registradores de Controle e Status

Palavra de estado de programa
• Program Status Word – PSW
• Contém informações de estado:







Sinal: contém o bit de sinal da última operação
Zero: indica se o resultado da última operação é zero
“Vai-um”
Igual: indica se uma comparação lógica resulta em igualdade
Overflow: overflow aritmético
Habilitar/Desabilitar interrupção
Supervisor: indica se a CPU está executando em modo
supervisor ou usuário
Outros registradores

Outros registradores relacionados ao estado e
controle
• Registrador para apontar para um bloco de memória
que contém informação de estado adicional (ex.,
blocos de controle de processos)
• Vetor de interrupções
• Registrador indicador de topo de pilha
• Registrador para indicar tabela de páginas (no caso
de memória virtual)
Ciclo de Instruções – Ciclo indireto
Ciclo Indireto


Pode precisar da memória o acesso para buscar operandos
Endereçamento indireto requer mais acessos de memória
Fluxo de dados (busca da instrução)






PC contém o endereço da próxima instrução
Endereço é movido para o MAR
Endereço é colocado no barramento de
endereço
A UC requisita uma leitura na memória
Resultado é colocado no barramento de dados e
copiado ao MBR e para o IR
Enquanto isso, o PC é incrementado de 1
Ciclo de busca
Fluxo de dados (busca de instruções)


IR é examinado
Se o endereçamento é indireto, o ciclo indireto é
feito
• Os N bits mais significativos de MBR são transferidos
para MAR
• A unidade de controle envia um pedido de leitura da
memória
• O resultado (endereço ou operando) é movido para o
MBR
Fluxo de dados (Diagrama do Ciclo Indireto)
Fluxo de dados (Execução)



Pode ter várias formas
Depende da instrução que está sendo executada
Deve incluir
•
•
•
•
escrita/leitura da memória
Entrada/Saída
Transferência entre registradores
Operações da ULA
Fluxo de dados (interrupção)






O PC atual é salvo para permitir que ele seja
restabelecido depois da interrupção
O conteúdo de PC é copiado para o MBR
Uma posição especial da memória (stack pointer) é
carregado para o MAR
O MBR é copiado para a memória
O PC é carregado com o endereço da rotina de
tratamento de interrupção
A próxima instrução (primeira da rotina de tratamento
de interrupção) pode ser buscada
Fluxo de dados (diagrama com interrupção)
Estudo de Caso: x86
Gerais
Segmentos
PC
Flags
PSW
PSW
Exercícios

11.1
Parte II
Pipeline
Pipeline

Evolução dos sistemas:
•
•
•
•
Novos chips
Mais registradores
Cache
Pipeline de Instruções
Pipeline


Idéia semelhante a uma linha de montagem
Várias etapas de produção
• Etapas podem ocorrer simultaneamente
• Novas entradas são aceitas antes que entradas previamente
aceitas saiam como saídas

Instruções possuem diversas etapas
Exemplo
Prefetch: busca antecipada



Execução normalmente não necessita de acessoa à
memória
Durante a execução pode-se buscar uma nova instrução
Performance é melhorada
• Mas não é duplicada
• Busca usualmente mais rápida do que a execução
• Qualquer jump ou desvio significa que instruções pré-buscadas
não são instruções necessárias

Mais estágios de pipeline para aumentar a performance
Pipelining

BI - Busca de instruções
DI - Decodificação de instruções
CO - Cálculo de operandos
BO - Busca de operandos
EI - Execução de instruções
EO –Escrita de Operando

Sobreposição dessas operações





Timing of Pipeline
Assume-se que:
• Todas as instruções usem os
6 estágios
• Memória é compartilhada
• Todos os estágios possam
ser executados em paralelo
Problemas:
• Estágios possuem durações
diferentes
• Operações de desvio
• Interrupção
Pipeline: efeito de uma instrução de desvio
Tratamento de
Desvios e
Interrupções
Desempenho

Tempo de ciclo 
• Tempo requerido para avançar um conjunto de
instruções um estágio por meio de pipeline
• m : Atraso máximo de estágio
• k: número de estágios
• d: tempo de propagação de um estágio para outro
Desempenho

Tempo de execução de n instruções:

Speedup
Desempenho
Lidando com desvios


Desvios: principal problema do uso de pipeline
Algumas abordagens para amenizar o problema:
•
•
•
•
•
Múltiplos Fluxos
Antecipação de busca da instrução alvo do desvio
Memória para laços de repetição
Previsão de Desvios
Atraso de Desvio (delayed branch)
Múltiplos Fluxos




Duplicar estágios iniciais do pipeline
Pré-buscar cada desvio em pipelines separadas
Utilizar as pipelines apropriadas
Problemas:
• Leva a contenção de registradores e do barramento
• Múltiplos saltos levam a futuras necessidades dos
pipelines
Antecipação de busca


Destino dos desvios são buscados
antecipadamente
Mantém destino em um registrador até que o
desvio seja executado
Memória para laços de repetição




Uma memória rápida armazena as últimas n
instruções
Checa-se esta memória antes de buscar da
memória principal
Muito bom para pequenos loops ou jumps
Funcionamento semelhante a uma cache de
instruções
Previsão de Desvios

Várias técnicas:
• Prever que desvios nunca serão tomados
• Prever que desvios sempre serão tomados
• Prever se desvios serão tomados ou não baseado no
código da operação
• Prever desvios com base em desvios tomados ou não
tomados
• Prever desvios baseados em históricos
Previsão de Desvios

Prever que desvios nunca serão tomados
• Sempre busca a próxima instrução

Prever que desvios sempre serão tomados
• Assume que aquele jump irá acontecer
• Sempre busca a instrução de destino
Previsão de Branches

Previsto pelo código de operação
• Algumas instruções são mais prováveis de resultarem
em um jump do que outras
• Tem alta taxa de acerto

Prever se desvios serão tomados ou não
baseado no código da operação
• Baseado na história prévia
• Bom para loops
Previsão de Desvios

Desvios atrasados
• Rearranja as instruções
• Só executa quanto necessário
Pipeline do 486

5 estágios:
•
•
•
•
•
Busca de Instrução
Decodificação 1
Decodificação 2
Execução de Instrução
Escrita de Resultado
Exercícios (entregar final da aula)




11.1
11.2
11.3
11.6