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Processador
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Execução de TarefasO software consiste num conjunto de códigos ou instruções desenvolvidos para facilitar o controlo da máquina. Um programa para ser executado normalmente precisa de uma requisição ou ordem externa, uma solicitação feita pelo utilizador.Em alguns casos os programas são executados automaticamente – por exemplo, o Windows. Quando um comando é feito pelo utilizador ou pelo próprio sistema em uso, é enviada uma solicitação para o processador, que faz o processamento da informação e, por sua vez, faz também uma requisição de dados e instruções ao disco rígido, que é o local onde está armazenado o programa.
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Execução de TarefasOs dados são enviados através de blocos e passam pela memória RAM antes de serem processados. A RAM, ao contrário do disco rígido, é uma memória dinâmica que permite leitura e gravação em velocidades muito superiores ao HD (disco rígido). Ela existe justamente para evitar que o processador esteja constantemente a fazer requisições ao disco rígido, o que tornaria a execução de programas algo muito lento. Dentro do processador também existem outras memórias dinâmicas, que armazenam temporariamente resultados de processamento (cálculos e operações lógicas) e fazem o controlo das informações. São as conhecidas Caches.
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Memória CacheA memória cache consiste numa pequena quantidade de memória embutida no processador.
Quando o processador precisa ler dados da memória RAM, um circuito especial chamado "controlador de cache" transfere blocos de dados muito utilizados da RAM para a memória cache.
Assim, no próximo acesso do processador, este consultará a memória cache, que é bem mais rápida, permitindo o processamento de dados de maneira mais eficiente.
Desta forma, a memória cache actua como um intermediário, isto é, faz com que o processador nem sempre necessite chegar à memória RAM para aceder os dados dos quais necessita. O trabalho da memória cache é tão importante que, sem ela, o desempenho de um processador pode ser seriamente comprometido.
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Os processadores trabalham, basicamente, com dois tipos de cache: cache L1 (Level 1 - Nível 1)cache L2 (Level 2 - Nível 2). A cache L2 é ligeiramente maior em termos de capacidade e passou a ser utilizado quando a cache L1 se mostrou insuficiente. Antigamente, um tipo distinguia-se do outro pelo facto da memória cache L1 estar localizada junto ao núcleo do processador, enquanto a cache L2 ficava localizada na motherboard. Atualmente, ambos os tipos ficam localizados dentro do chip do processador, sendo que, em muitos casos, a cache L1 é dividida em duas partes: "L1 para dados" e "L1 para instruções".
Memória Cache
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Uma das características principais de um processador ou CPU são os seus barramentos. Os barramentos são “auto-estradas” por onde circula a informação, seja no interior do CPU, ou do interior para o exterior e vice-versa. Vão permitir a comunicação entre o CPU, memória e dispositivos de entrada e saída. Barramentos internos – transportam a informação entre os vários componentes internos do processador, isto é, registos, ALU,etc. Barramentos externos - Barramento de Dados- Barramento de Endereços- Barramento de Controlo
CPU Memória
Barramento de dados
Barramento de endereços
Barramento de controlo
Barramentos
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Barramento de endereços Que têm por função transportar a identificação/localização ("endereço") dos sítios onde se pretende ler ou escrever dados (por ex., o endereço de uma célula de memória) Barramento de Dados Neste barramento, tal como o nome indica, circulam os dados que são recebidos ou enviados, de e para periféricos e memória.Quanto maior a sua "largura", maior o número de bits que é possível transportar em simultâneo.
Barramentos
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Barramento de Controle Tem como função a sincronização do processador com os restantes componentes. Como estes são sempre mais lentos do que o processador, provocam estados de espera que necessitam ser controlados, de modo a que a comunicação processador e os componentes externos seja feita eficazmente. por ex., sinais para indicar que a informação que circula no barramento de dados é para ser escrita e não lida da célula de memória cuja localização segue no barramento de endereços.
Barramentos
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Tarefas
Os fatores determinantes para o desempenho de todo este procedimento de execução de tarefas, realizado pela máquina, são:
• a frequência de clock do processador, identificado por Hertz (ex.: 2.6GHz);
• a frequência do barramento externo na motherboard (ex.: 400MHz);
• a quantidade e frequência de memória RAM (ex.: 1GB e 533MHz);
• a taxa de transferência e velocidade de rotação do disco rígido (ex.:
300MB/s e 7200RPM). • Outros fatores também podem ser considerados, como a quantidade de núcleos disponíveis no processador (ex.: Core 2 Duo, de 2 núcleos) e etc.
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Tarefas
Um sistema Operacional não executa apenas os programa que estamos a ver no momento no computador. As aplicações que normalmente executa reúnem diversas instruções e comandos, porém, são os processos que efetivamente executam esses comandos. Uma única aplicação pode ter vários processos relacionados.Por exemplo, o Browser pode ter vários separadores.Para cada separador existe uma tarefa/processo associado. Um processo é um programa que está a ser utilizado num determinado momento, é uma tarefa em execução.
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Estados de um processo
Durante a execução de um processo, ele altera o seu estado. Possíveis estados:
Novo (new): O processo está a ser criado.
A Exeutar (running):as instruções estão a ser executadas.
Em Espera (waiting): O processo está à espera que algum evento aconteça.
Pronto (ready): O processo está à espera de ser associado a um processador.
Terminado (terminated): O processo terminou sua execução.
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Estados de um processo
Durante a execução de um processo, ele altera o seu estado. Possíveis estados:
Novo (new): O processo está a ser criado.
A Exeutar (running):as instruções estão a ser executadas.
Em Espera (waiting): O processo está à espera que algum evento aconteça.
Pronto (ready): O processo está à espera de ser associado a um processador.
Terminado (terminated): O processo terminou sua execução.
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O processador é o componente vital do sistema de computação, responsável pela
realização das operações de processamento (os cálculos matemáticos etc.) e de
controle, durante a execução de um programa.
Um programa, para ser efetivamente executado pelo processador, deve ser
constituído de uma série de instruções de máquina. Para que a execução tenha início,
as instruções devem ser armazenadas em células sucessivas, na memória principal.
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2. A influência do tamanho da palavra
A capacidade de processamento de uma CPU (a velocidade com que realiza o ciclo
de uma instrução) é em grande parte determinada pelas facilidades embutidas no
hardware da UAL para realizar as operações matemáticas projetadas.
Um dos elementos fundamentais para isso é a definição do tamanho da palavra da
CPU. O valor escolhido no projeto de fabricação da CPU determinará o tamanho dos
elementos ligados à área de processamento, entre estes, a UAL.
Um tamanho maior ou menor de palavra (e, por conseguinte, da UAL, dos
registradores de dados, do barramento interno) acarreta, sem dúvida, diferenças
fundamentais de desempenho da CPU.
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No projeto de uma CPU, a definição do tamanho da palavra tem enorme influência
no desempenho global de toda a CPU e, por conseguinte, do sistema como um todo:
a) influência ou desempenho devido ao maior ou menor tempo na execução de
instruções com operações matemáticas na UAL.
b) influência no desempenho devido ao tamanho escolhido para o barramento interno e
externo da CPU. Se a largura do barramento for, p.ex., igual a 16 bits em um sistema
com palavra de 32 bits (UAL e registradores de 32 bits), então o movimento de 4
bytes de um dado tipo caractere requererá dois ciclos de tempo do barramento, ao
passo que em barramento de 32 bits requereria apenas um ciclo de tempo;
–
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c) influência também na implementação física do acesso à memória, porque o movimento de dados entre CPU e memória é normalmente medido em palavras (o barramento de dados que une o RDM à memória deve acompanhar em largura o valor da palavra). Para uma CPU de 32 bits de palavra, por exemplo, é desejável que a memória seja organizada de modo que sejam acessadas 4 células contíguas (4 bytes = 32 bits) em um único ciclo de memória. Se isto não ocorrer, a CPU deverá ficar em estado de espera ("wait state").
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Processador com 16 bits manipula número de valor até 65.535
Operação com um número de 100.000, terá que fazer a operação em duas partes
32 bits, ele pode manipular números de valor até 4.294.967.295
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Intel Core 2 Extreme Quad-Core
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Fabricação
Cilindro formado por silício (ingot).
–Cilindro é "fatiado. –Cada fatia é chamada Wafer (bolacha).
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Fabricação
Engenheiro segurando um wafer
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Fabricação
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Clock
Feita em hertz (Hz), que indica o número de oscilações ou ciclos que ocorre dentro de uma determinada medida de tempo, no caso, segundos
processador trabalha à 800 Hz>800 operações de ciclos de clock por segundo
megahertz (MHz) é usado para indicar 1000 KHz (ou 1 milhão de hertz)
freqüência de 800 MHz>800 milhões de ciclos por segundo.
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Funções da CPU
• A CPU é projetada e fabricada com o propósito único de executar
sucessivamente pequenas operações matemáticas (ou outras
manipulações simples com dados), na ordem e na sequência
definidas pela organização do programa.•
• As atividades realizadas pela CPU podem ser divididas em duas
grandes categorias funcionais:•
Função processamento; Função controle.
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Função de processamento•
• A função processamento se encarrega de realizar as atividades
relacionadas com a efetiva execução de uma operação, ou seja,
processar.•
• Processar o dado é executar com ele uma ação que produza
algum tipo de resultado.
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• Tarefas comuns a esta função são as que realizam:
• – Operações aritméticas (somar, subtrair, multiplicar, dividir);
– Operações lógicas (and, or, xor, etc);
– Movimentação de dados (memória - CPU, CPU - memória,
registrador - registrador etc);– Desvios (alteração de sequência de execução de instruções);– Operações de entrada ou saída.
–
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• Fazem parte dessa área funcional os seguintes
dispositivos:
• – Unidade Aritmética e Lógica (UAL);
– Acumulador (ACC);
– Registradores.
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M P
UAL ACC
Reg
Barramentode endereços
Barramentode dadosU C P
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Unidade Aritmética e Lógica – UAL (ou ULA) A UAL é o dispositivo da CPU que executa realmente as operações matemáticas com
os dados. Tais operações podem ser:
– soma, multiplicação, subtração e divisão;
– op lógica AND, OR e XOR;
– deslocamentos à direita e à esquerda;
– incremento e decremento;
– op complemento.
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Qualquer UAL é um aglomerado de circuitos lógicos e componentes eletrônicos
simples que, integrados, realizam as operações já mencionadas. Essas operações são sempre realizadas sobre duas palavras da máquina. Em geral, esse circuito que trabalha com palavras de n bits é construído a partir de n
circuitos idênticos, cada qual responsável por uma posição individual de bits.
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A seqüência a seguir, mostra a construção de uma ULA que pode calcular uma de
quatro funções a saber: A and B; A or B; B; A + B.
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Os processadores mais modernos utilizam em sua arquitetura mais de uma UAL, de modo a tornar a execução das instruções mais rápida.
CACHE para instruções
BTB
ULA 1 ULA 2 FPU
Registradores
CACHE para dados
BIU
Barramento Interno
Barramento Externo
BIU = Interface do barramentoCache para instruções e dados = 8 KB
ULA 1 e 2 = nº inteirosFPU = nº fracionários
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Registradores Para que um dado possa ser transferido para a UAL, é necessário que ele permaneça,
mesmo que por um breve instante, armazenado em um registrador (a memória da CPU).
O resultado de uma operação aritmética ou lógica realizada na UAL é armazenado
temporariamente, para que possa ser reutilizado (por outra instrução) ou apenas para ser transferido para a memória.
Para atender a estes propósitos, a CPU é fabricada com uma certa quantidade de
registradores, destinados ao armazenamento de dados. O número de registradores e suas funções varia de processador para processador e é
um dos maiores problemas no projeto de uma CPU.
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Há sistemas nos quais um desses registradores, denominado acumulador (abrevia-se, em inglês, ACC), além de armazenar dados, serve de elemento de ligação da ULA com os outros dispositivos da CPU.
Os registradores da CPU são divididos em 2 tipos:
Registradores visíveis para o usuário
– Permite ao usuário minimizar referências à memória através do uso deles.
Registradores de controle e de estado
– Utilizados pela UC para controlar operações da CPU e programas privilegiados
do sistema operacional para controlar a execução de programas.
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Registradores visíveis para o usuário Categorias: a. Registradores de propósito geral
b. Registradores de dados
c. Registradores de endereço (segmento, apontador de pilha e de índice)
d. Registradores de código de condição (flags)
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Registradores de Controle e de Estado Categorias: a. Contador de Programa
– Contém o endereço da instrução a ser buscada.b. Registrador de Instrução
– Contém a última instrução a ser buscada.c. Registradores de endereçamento à memória
– Contém o endereço de uma posição da memória.d. Registradores de armazenamento temporário de dados.
– Contém uma palavra de dados a ser escrita na memória ou a palavra lida mais recentemente.
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Função de controle:
Atividades:• • Busca da instrução a ser executada, armazenando-a em um registrador
especialmente projetado para esta finalidade;• • Interpretação das ações a serem desencadeadas com a execução da
instrução (se é soma, subtração, etc e como realizá-la);• • Geração de sinais de controle apropriados para ativação das atividades
requeridas para a execução propriamente dita da instrução identificada. Estes sinais são enviados tanto para componentes internos (ULA, por ex.) quanto externos (MEM, E/S).
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• Em resumo, a área de controle é projetada para entender o que fazer, como fazer e comandar quem vai fazer, no momento adequado.
• • Os dispositivos básicos que devem fazer parte dessa área funcional
são:•
Unidade de controle (UC); Decodificador; Registrador de instrução (RI) ou IR - "instruction register"; Contador de instrução (CI) ou PC "program counter"; Relógio ou "clock"; Registradores de endereço de memória (REM) e de dados da memória
(RDM).
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M PUAL
RDM
REMCI
ACC
Reg
Barramentode endereços
Barramentode dadosU C P
U C Decodificadorde instruções
RIRelógio
Barramentode controle
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RI
DECODIFICADOR
UC Gerador
de tempo
Código da operação
t0
tN
Pulsos do relógio
Barramento de Controle
Sinais de controle para o barramento de sistema
Sinais de controle para dispositivos internos da CPU
*
- Sinais de controle vindos do barramento do sistema
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Registrador de Instrução - RI É o registrador que tem a função específica de armazenar a instrução a ser
executada pela CPU. Ao se iniciar um ciclo de instrução, a UC emite o sinal de controle que
acarretará a realização de um ciclo de leitura para buscar a instrução na
memória, e que, via barramento de dados e RDM, será armazenada no RI.
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Contador de Instrução – CI É o registrador cuja função específica é armazenar o endereço da próxima
instrução a ser executada. Tão logo a instrução que vai ser executada seja buscada (lida) da memória
para a UCP (início do ciclo de instrução), o sistema providencia a
modificação do conteúdo do CI de modo que ele passe a armazenar o
endereço da próxima instrução na seqüência. Por isso, é comum definir a função do CI como sendo a de "armazenar o
endereço da próxima instrução", que é o que realmente ele faz durante a
maior parte da realização de um ciclo de instrução.
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Unidade de Controle É o dispositivo mais complexo da CPU.
Possui a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e instruções de e para a CPU, através dos sinais de controle que emite em instantes de tempo programados.
Exemplo: busca de 1 instrução: T0 : REM (CI)T1 : CI CI + N RDM M(op)T2 : RI RDM M = Célula
M(op) = Conteúdo da célula
As operações menores são conhecidas como microoperações
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Instruções de máquina
Uma instrução de máquina é a especificação de uma operação básica (ou
primitiva) que o hardware é capaz de realizar diretamente.
O conjunto de instruções fornece os requisitos funcionais para a CPU.
Quando se escreve "conjunto de instruções", estamos nos referindo a todas
as possíveis instruções que podem ser interpretadas e executadas por um
processador.
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Tipos de instruções:
Operações matemáticas (aritméticas, lógicas, de complemento, de deslocamento);
Movimentação de dados (memória - UCP e vice-versa); Entrada e saída (leitura e escrita em dispositivo de E/S); Controle (desvio da sequência de execução, parar etc.).
Observação:
Quando se escreve "conjunto de instruções", estamos nos referindo a todas
as possíveis instruções que podem ser interpretadas e executadas por um
processador.
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Formato das instruções:
C.Op. Operando 1 Operando 2
C.Op. Operando 1
C.Op. Don’t care
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De modo geral, podemos separar o grupo de bits que constitui a instrução em
dois campos:
– Um campo (um subgrupo de bits) chama-se código de operação;– – O restante grupo de bits (se houver) denomina-se campo do(s)
operando(s) ou, simplesmente, operando(s).
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5. Funcionamento da UCP
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Ciclo de Instrução:
Início
Buscar a próxima instrução
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Início
Buscar a próxima instrução
Incrementar o CI
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Início
Buscar a próxima instrução
Incrementar o CI
Ciclode
busca
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Início
Buscar a próxima instrução
Incrementar o CI
Decodificaçãodo C. Op.
Ciclode
busca
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Início
Buscar a próxima instrução
Incrementar o CI
Decodificaçãodo C. Op.
Tem operando?
Ciclode
busca
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Início
Buscar a próxima instrução
Incrementar o CI
Decodificaçãodo C. Op.
Tem operando?sim
Ciclode
busca
Buscar earmazenaroperando
Cálculode endereçodo operando
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Início
Buscar a próxima instrução
Incrementar o CI
Decodificaçãodo C. Op.
Executar aoperação
Tem operando?sim
não
Ciclode
busca
Buscar earmazenaroperando
Cálculode endereçodo operando
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Início
Buscar a próxima instrução
Incrementar o CI
Decodificaçãodo C. Op.
Executar aoperação
Tem operando?sim
não
Ciclode
busca
Buscar earmazenaroperando
Cálculode endereçodo operando
Ciclode
execução
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Início
Buscar a próxima instrução
Incrementar o CI
Decodificaçãodo C. Op.
Executar aoperação
Tem operando?
Cálculode endereçoda instrução
Buscar earmazenaroperando
Cálculode endereçodo operando
sim
não
Ciclode
busca
Ciclode
execução
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Ciclo de Instrução: Buscar a próxima instrução:
– RI (CI)
Incrementar o CI:
– (CI) (CI) + 1
Decodificação do C.Op.:
– o decodificador recebe os bits do C.Op. e gera uma saída para a
UC. Buscar Op se houver:
– RDM (Op) Executar a instrução