Introdução Material de apoio: Daltrini, Beatriz M.; Jino, Mario; Magalhães, Leo P.; Introdução...
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Introdução
Material de apoio:
Daltrini, Beatriz M.; Jino, Mario; Magalhães, Leo P.; Introdução a Sistemas de Computação Digital , São Paulo MAKRON Books, 1999.
Mury, Antonio Carlos, Curso de Eletrônica Digital, ETE”FMC”, 1994.
Contribuidores da Wikipédia , História da Computação, pt.wikipedia.org/wiki/História_da_computação
2ª Semana # Organização de um Computador #Memória
RegistradoresInstruções de Máquina
Interfaces de Entrada e Saída
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Máquina Analítica - 1834
Organização
Dos Computadores
1833 Charles Babbage = Estrutura Básica para Sistemas Computacionais Sistemas podem ser programados para executarem diferentes tarefas;
Transferência seqüencial de informações; Impossibilidade de ligar a CPU aos periféricos 1 a 1Via de Dados , Via de Endereços e Via de Controle;
Ada Augusta (Lady Lovelance) – Lord ByronConseitos : SubRotinas - Laços
O projeto, totalmente mecânico, era composto de uma memória, um engenho central, engrenagens e alavancas usadas para a transferência de dados da memória para o engenho central e dispositivos para entrada e saída de dados. O calculador utilizaria cartões perfurados e seria automático.
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Organização
Dos Computadores
Von Neuman (1903 - 1957)
Unidade de
Controle
Unidade Lógica e
Aritmética
Memória I/O
VIA DE ENDEREÇOS
VIA DE DADOS
VIA DE CONTROLE
UCP
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Organização
Dos Computadores
Unidade Central de Processamento : • Controle de Todo o Sistema;• Manipulação dos Dados;• Acessa e interpreta instruções do programa contido na memória;• Executa operações Lógicas e Aritméticas
Memória : • Armazena os Programas;• Armazena os Dados que serão manipulados;
Dispositivos de Entrada e Saída : • Conexão do computador com sistemas externos
Barramento de Dados : Linhas paralelas que permitem a comunicação bidirecional entre CPU, Memórias e Dispositivos de IO. Somente um dispositivo utiliza o barramento de cada vez.Barramento de Endereços : Linhas paralelas unidericionais pelas quais a CPU habilita qual dispositivo utilizará o barramento de dados.
Barramento de Controle : Linhas por onde trafegam os sinais de controle e sinalização do sistema.
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Registradores
FlipFlops:
Tem apenas dois estados estáveis(1/0, Alto/Baixo) e possui a capacidade de reter seu estado.Tem dois estados de saída sendo um o complemento do outro.Pode ser sensível ao nível(estado da entrada) ou a mudança de nível(borda de subida ou descida).
Registrador é o elemento básico de memória em um sistema computacional.
Um registrador é a ligação de FlipFlops sincronizados pelo mesmo relógio. O conteúdo de cada FlipFlop normalmente está associado a um bit de informação.
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Registradores
Nunca muda de estado se as entradas R(reset) e S(set) são 0. Com 0 na entrada S e um na entrada R passa para o estado Q(saída)=0. Com 1 em S e 0 em R passa para o estado Q=1. R e S em 1 não definem um estado
válido.
R S Q0 0 Q0
1 0 00 1 11 1 ND
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Registradores
Funciona como uma unidade de atraso, sua saída Q apresenta o estado da entrada D anterior ao último pulso de clock. .
D Q0 D0
1 D0
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Registradores
Funciona similarmente ao RS porém apresenta um clock e inverte seu ultimo estado quando apresentar ambas entradas em nível lógico 1.
J K Q0 0 Q0
1 0 10 1 01 1 Q0
Note que o FlipFlop D apresenta lógica baixa na entrada ao contrário do JK.
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Operações
Considerando dois registradores (A e B) formados por n(tamanho da palavra) flipflops JK.
A transferência de informação de a para b será efetuada quando o sinal de clock global do sistema juntamente com o sinal de controle (MOVE A
-> B) ativarem o clock dos flipflops do registrador B, mantendo o conteúdo de A inalterado.
Com Registradores
Monte um circuito de transferência de 2 bits usando flipFlops JK.
Exercício 2.1®:
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Operações
Considerando dois registradores (A e B) formados por n(tamanho da palavra) flipflops JK.
A transferência de informação de a para b será efetuada quando o sinal de clock global do sistema juntamente com o sinal de controle (MOVE A
-> B) ativarem o clock dos flipflops do registrador B, mantendo o conteúdo de A inalterado.
Com Registradores
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Operações
A saída do registrador será complementada ao sinal de clok. Essa operação é executada, por exemplo, para realizar subtração em
circuitos somadores.
Com Registradores
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Operações
Essa operação tem a propriedade de deslocar os bits de um registrador com flipflops ligados em cadeia. Costuma ser utilizado para operações
de multiplicação.
Com Registradores
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Operações
Operações de incremento e decremento são muito utilizadas em sistemas computacionais, desde a contagem de posições em vetores à marcação de posição de execução de um programa. Um contador pode
ser controlado como crescente ou decrescente. Ainda pode ser síncrono ou Assincrono.
Com Registradores
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Monte um contador BCD, isto é um incrementador que reset quando chegar em 1010.
Exercício 2.2:
Monte um circuito capaz de efetuar somas com sinal e multiplicação de dois números binários de 4 bits. Esse circuito poderá ainda operar comparação de magnitude(<,>,=). Use portas lógicas e flipflops a
vontade.
Exercício 2.3 **DESAFIO**:
Operações
Com Registradores
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UCP
Unidade de
Controle
Unidade Lógica e
Aritmética
UCP
Unidade Central de Processamento :
• Unidade Lógica e Aritmética
• Unidade de Registros
•Unidade de Controle
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Sistema hipotético:
Organização
Dos Computadores
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Un. Lógica
e Aritmética
Definiremos um sistema hipotético que possui uma ULA que opera dois registradores de 8 bits (A e B) e possui outro (F) para apresentar a saída com os seguintes Controles: M, S1 e S2 seleciona a operação a ser executada conforme a tabela:
STA e STB carrega o conteúdo do barramento de Dados nos registradores A e B respectivamente.
OE carrega o conteúdo de F no barramento de Dados.
S0 S1 M=0 op.Aritméticas M=1 op.Lógicas0 0 F = A plus B AND0 1 F = A minus B OR1 0 F = A X B NOT1 1 F = A /B XOR
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Un. de Registros
Registros A e B :Registros de Propósito geral: armazenam informações variadas a serem processadas:• LD : Carrega inf. Do bar. De dados.• OE Entrega o conteúdo armazenado para o bar. De dados
Registro RI:Registrador de Instruções: Armazena o código da instrução a ser executada.• LD : Carrega inf. Do bar. De dados.
Registro REM:Registrador de endereço de memória: Armazena o endereço de memória a ser acessado.
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Un. de Registros
Registro PC:Contador de Programa: Armazena o endereço da próxima instrução a ser buscada na memória. É incrementado a cada busca.•CKEN : Habilita incremento pelo Clock do sistema .•PCldl e PCldh: Carrega informação do Bar. De dados, bits menos significativos e mais significativos respectivamente.
Registro PSW:Registrador de Status: Armazena informações relevantes ao funcionamento da UCP.
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Un. de Controle
Unidade de Controle :É a unidade que controla a execução das instruções:• Extrai a instrução da memória principal.• Interpreta o Código de operação (na ROM).•Controla a execução da instrução pelo sequenciamento dos sinais de controle.
Recebe o código da instrução proveniente de RI e possui um sequenciador que incrementa os bits menos significativos de endereço da ROM executando assim as microinstruções :
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Un. de Controle
Unidade de Controle :
Além dos controles:• M, S1, S0, STA, STB, OEalu => Unidade Lógica e Aritmética • Ckenpc, LDpch, LDpcl, LDa, OEa, LDb, OEb, LDri, Ldrem, CkenremComanda:•MREQ(habilita memória),IORQ(habilita i/o),RD(leitura do dispositivo), WR(escrita no dispositivo) .
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Sistema hipotético:
Organização
Dos Computadores
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Transferência de dados :Transfere dados ou blocos de dados entre os registradores, posições de memória e barramento de dados.• MOVE A, B
Tratamento de operandos:Realizam operações aritméticas ou lógicas.• ADD A, B
Un. de Controle
TIPOS DE INSTRUÇÕES
Instruções de desvio:Determinam desvio no fluxo do programa.• JMP, Jcond, JSR, RET
Entrada/Saída:Comunicação da UCP com interfaces de I/O.• IN port
Miscelânea:Instruções especiais de um processador em particular.
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Un. de Controle
Fase de Busca(fetch) :É o ciclo de máquina para leitura do código de operação(c.o), a primeira palavra da instrução. O ciclo de busca é idêntico para qualquer instrução.
Fase de Execussão :São os ciclos de máquinas necessários para busca das palavras restantes da instrução e execução dessa. É diferente e compreende números de ciclos de máquina diferentes para cada instrução.
Ciclo de Máquina :É 1(UMA) seqüência de microoperações que são executadas caracterizando uma operação. A execução de instruções é dividida em ciclos de máquina.
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Un. de Controle
•Instrução•Ciclo•Microprograma
•Microinstruçãoes•Microoperações•Microcomando
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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05h
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Organização
Dos Computadores
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Un. de Controle
2: { 3: int x,a; 4: x = 20; C:0x0800 7F14 MOV R7,#0x14 5: x = x + 5; C:0x0802 7405 MOV A,#0x05 C:0x0804 2F ADD A,R7 C:0x0805 FF MOV R7,A C:0x0806 E4 CLR A C:0x0807 33 RLC A 6: a = x; C:0x0808 F508 MOV 0x08,A C:0x080A 8F09 MOV 0x09,R7 7: } C:0x080C 22 RET ...
92: ?C_STARTUP: LJMP STARTUP1 93: 94: RSEG ?C_C51STARTUP 95: 96: STARTUP1: 97: 98: IF IDATALEN <> 0 C:0x0000 020800 LJMP STARTUP1(C:0800) C:0x0003 00 NOP C:0x0004 00 NOP ...
C:0x07FF 00 NOP 99: MOV R0,#IDATALEN - 1 C:0x0800 787F MOV R0,#0x7F 100: CLR A C:0x0802 E4 CLR A 101: IDATALOOP: MOV @R0,A C:0x0803 F6 MOV @R0,A 102: DJNZ R0,IDATALOOP C:0x0804 D8FD DJNZ R0,IDATALOOP(C:0803) 151: MOV SP,#?STACK-1
C:0x0806 758109 MOV SP(0x81),#0x09 155: LJMP ?C_START
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Organização
Dos Computadores
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Un. de Controle
Endereço de Retorno em PilhaAs pilhas normalmente são definidas dentro da própria memóriaO registrador SP(Stack Pointer) contém o endereço da 1ª posição livre na pilha.
Sub-Rotinas :
Endereço de Retorno junto à Sub-RotinaArmazena-se a primeira palavra para o endereço de retorno(DS).Chamada : JSR SUB (Sub está armazenada a partir da posição de memória endsub)
endsub <- (PC)
PC <- endsub +1
Retorno:
JUMP(SUB)
PUSH PC (SP) <- (PC)
SP <- (SP)+1
JUMP endsub
POP PC (SP) <- (SP)-1
PC <- ((SP))
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Un. de Controle
Sub-Rotinas :
Passagem de perâmetros:
Por Registradores da UCP
Área associada à Sub-Rotina
Área associada ao Programa
Área Comum de Dados
Pilha
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Un. de Controle
Interrupções :
PUSH PC
PUSH PSW
JUMP endsub
POP PC
POP PSW
CALL
RTI
Os “pinos de interrupção” da pastilha do processador estão ligados a um mecanismo interno que gera um salto para uma posição específica da memória. Essas linhas de memória são chamadas “reservadas” e só são utilizadas para o atendimento da interrupção.
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Un. de Controle
Interrupções:
Mapemanto Interno:Gerador de Seqüência de Interrupções
Mapemanto Externo:Controlador de Interrupção (gera um sinal no pino de interrupção e após ACK
coloca o endereço de interrupção no barramento de dados)
Mapemanto Misto:Usado na maioria das arquiteturas modernas
Mecanismo de Polling:para vários dispositivos em uma mesma linha de
interrupção
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Un. de Controle
Interrupções:
Organização dos endereços de Interrupção na Memória:
Posições Não Contíguas de Memória:
Interrupção Vetorizada: O Gerador de Sequência de Insterrupção deverá gerar os sinais
para gerar o salto(Push PSW,PC e JMP )
Mascaramento:Permite habilitação/desabilitação seletiva e sinais de
interrupção.
Mascaramento por Nível de Prioridade:
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Memórias
Memórias:
Contem diversas posições cada uma das quais indicadas por um endereço, possui n linhas de endereços e 2n posições:
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Memórias
Classificação das Memórias:
Volátil / Não Volátil:perde os dados se a alimentação do sistema for removida.
Acesso Seqüencial / Aleatório:a informação pode ser acessada diretamente , sem passar pelas
posições anteriores
Tempo de Acesso:é crucial para definir sua aplicação
Capacidade:Tamanho da palávra X número de endereços
Dinâmica / estática:Necessitam de “Refresh”
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Memórias
ROM(Read Only Memory)
Mask-ROM:Informações vem de fábrica.
PROM (Programmable ROM):Programável pelo usuário mas apenas uma única vez.
Todos os bits vêm em 1 e após “queimado” vira 0.
EPROM(Erasable PROM):São reprogramáveis um por um número limitado de
vezes, são apagadas por ondas ultra-violeta.
EEPROM(Eletrically EPROM):São eletricamente reprogramáveis mas necessitam
de um circuito para prover os níveis de tensão que são bem diferentes dos usados em operação.
ICEEPROM(In Circuit Erasable PROM):São reprogramáveis no próprio circuito.
MagnéticaFlash....Dispositivos I/O
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I/O
Dispositivos de Entrada e Saída
E/S isolada (I/O BUS):Barramentos logicamente distintos dos barramentos de acesso à
memória.
E/S Controlada por Hardware (DMA – Direct Memory Acces):Conexão direta entre memória e dispositivo.Transferência é feita em blocos de tamanho determinado.Burst – Cycle Stealing - Transparente.
E/S Mapeada em Memória (UNIBUS):Existe um único espaço de endereços tratados como de memória. A UCP
trata a I/O como se fosse uma célula de memória.
Comunicação Serial:Existe um único espaço de endereços tratados como de memória. A UCP
trata a I/O como se fosse uma célula de memória.
Comunicação Paralela:Existe um único espaço de endereços tratados como de memória. A UCP
trata a I/O como se fosse uma célula de memória.
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Características
Dos
Microcontroladores
ADCSPI/I2CRTCTimerPWMWatch DogJTagEncapsulamentoISP