CPU - Central Processing Unit

Definição de CPU ou UCP

 O processador é responsável pela atividadefim do sistema, isto é, computar, calcular, processar.
 É responsável pela realização de qualquer operação realizada por um computador. Comanda não somente as ações efetuadas internamente, como também em decorrência de interpretação de uma determinada instrução, ele emite sinais de controle para os demais componentes do computador agirem e realizarem alguma tarefa.
 Os processadores atuais são fabricados de modo que, em um único invólucro (pastilhachip) são inseridos todos os elementos necessários à realização de suas funções.

A função do processador (UCP) consiste resumidamente no seguinte:

•  Buscar uma instrução na memória (operação de leitura), uma de cada vez;
•  Interpretar que operação a instrução está explicitando (soma, subtração, movimentação de dados, etc);
•  Buscar os dados onde estiverem armazenados, para trazêlos até o processador;
•  Executar efetivamente a operação com o(s) dados(s);
•  Guardar o resultado (se houver algum) no local definido na instrução;
•  E finalmente, reiniciar o processo buscando uma nova instrução.

Definição de ALU ou ULA

A ULA (“ALU”) é o dispositivo do processador que efetivamente executa as operações matemáticas com os dados. Tais operações podem ser, por exemplo:

 Soma, subtração, multiplicação e divisão;

 Operação lógica AND, OR, XOR;
 Deslocamento à direita, deslocamento à esquerda; Entre outros.

 Ela é composta por dispositivos lógicos digitais simples, capazes de armazenar bits e efetuar operações simples de lógica booleana.

 Os dados são fornecidos à ULA em registradores e uma vez processados eles são armazenados novamente em registradores.
 Os registradores são interligados a ULA por meio de caminhos de sinal.
 A ULA também pode ativar bits especiais (flags) para indicar o estado de uma operação.
 A Unidade de Controle fornece sinais para controlar a operação da ULA e a transferência de dados entre a ULA e os registradores.

Definição de UC

A UC é o dispositivo mais complexo do processador. Ele possui a lógica necessária para realizar a movimentação de dadose instruções “de” e “para” o processador, através dos sinais de controle que emite em instantes de tempo determinados conforme uma programação prévia.  A figura abaixo mostra o diagrama em bloco simplificado da função controle.

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A Unidade de Controle – UC é responsável por:

•  Controlar a transferência de dados e instruções para dentro e fora da CPU;
•  Controlar a operação da ULA;
•  Controlar a execução de instruções;
•  Gerar sinais de controle externos ao processador para comandar a transferência de dados entre o processador e a memória ou módulos de entrada / saída;
•  Gerar sinais de controle internos ao processador para mover dados entre registradores;
•  Gerar sinais de controle internos ao processador para comandar a ULA na execução de uma determinada função;

Registadores utilizados no CPU

Registrador de Instrução – RI (Instruction Register – IR)
 Tem a função de armazenar a instrução a ser executada pela UCP.
No início do ciclo de instrução a UC emite sinais de controle seqüenciados no tempo para a realização do ciclo de leitura, no qual a instrução é buscada na memória e armazenada no RI, via barramento de dados e RDM.

 Contador de Instrução – CI (Program Counter – PC)

 Armazena o endereço da próxima instrução a ser executada, sendo crucial para o processo de controle e de seqüenciamento da execução dos programas. Assim que a instrução a ser executada é lida da memória para a UCP, o conteúdo do CI é automaticamente modificado, sendo nele armazenado o endereço da próxima instrução na seqüência.

Registrador de Dados da Memória – RDM (Memory Buffer Register MBR)

 É utilizado pela UCP para a transferência de informações entre esta e o barramento de dados. No ciclo de busca de uma instrução, assume a função de armazenar temporariamente a instrução a ser executada, a qual
foi trazida, via barramento de dados, da memória, e na sequência é transferida para o RI.
 O RDM tem tamanho (em bits) geralmente igual ao do barramento de dados, sendo que o tamanho deste último tem tamanho múltiplo do tamanho da palavra do processador.

 Registrador de Endereços da Memória – REM (Memory Address Register MAR)

 Armazena o endereço da memória onde a informação deve ser lida ou escrita. No ciclo de busca de uma instrução, armazena o endereço da memória onde se encontra a instrução a ser executada, fornecido pelo CI. Tem tamanho (em bits) igual ao tamanho dos endereços de memória e ao tamanho do barramento de endereços.

Função do Relógio

O relógio (clock) é um dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo.

A quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em umsegundo define a unidade de media do relógio denominada frequência, a qual também é utilizada para definir a velocidade da UCP. Servem para:

 Sincronizar, ou seja, permitir que duas ou mais ações ocorram no mesmo instante de tempo.

Cadenciar as ações realizadas em um determinada positivo, ou seja, controlar a velocidade com que elas ocorrem.

 Pode ser entendido com um dispositivo de controle. Em geral o relógio é formado por um cristal de quartzo.

Principais elementos:

•  Um ciclo do relógio (clock clycle) é o intervalo de tempo entre o início de um pulso e o início do seguinte.
•  Um período (cycle time ou period) é o intervalo de tempo gasto para ser obter um ciclo do sinal do relógio.
•  Usualmente medido em unidades de tempo em nanossegundos.
•  Freqüência (frequency ou clock rate) é a quantidade de ciclos por segundo de um relógio. É o inverso do período.
•  A unidade de medida utilizada para a freqüência é o Hertz(Hz) onde, 1 Hz = 1 ciclo por segundo.

Assim, se um processador funciona com um clock de 25 milhões de vezes por segundo, isto é, 25MHz, e sendo seu período de duração o inverso da freqüência, então cada ciclo será igual a 1/25000000, ou 0,00000004 ou 40 nano segundos (nS).