1. O documento descreve o funcionamento da Unidade Aritmética Lógica (ALU) e da Unidade de Controle (UC) em um computador. Explica como estas unidades executam instruções e interagem com outros componentes como registradores e memória. 2. Apresenta a estrutura interna do computador IAS de 1948 como exemplo histórico e compara com arquiteturas modernas. 3. Discutem-se registradores especiais como o Registrador de Instrução, Contador de Programa e outros utilizados na execução de instruções

1. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores
Othon Oliveira
Fatec – Faculdade de Inform´atica — PE
10 de outubro de 2016
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

2. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Sum´ario
1 ALU e UC
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
2 Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

3. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Como as CPUs executam as instru¸c˜oes
Figura: DataPath
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

4. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Como as CPUs executam as instru¸c˜oes
Figura: DataPath
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

5. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Como as CPUs executam as instru¸c˜oes
Figura: DataPath
Figura: Ciclo de
busca
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6. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
M´aquinas von Neumann - IAS
Fonte: Stallings
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

7. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Fun¸c˜oes b´asicas
Com raras exce¸c˜oes os computadores de uso geral trabalham:
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

8. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Fun¸c˜oes b´asicas
Com raras exce¸c˜oes os computadores de uso geral trabalham:
1 Buscando e executando as instru¸c˜oes, uma de cada vez
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

9. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Fun¸c˜oes b´asicas
Com raras exce¸c˜oes os computadores de uso geral trabalham:
1 Buscando e executando as instru¸c˜oes, uma de cada vez
2 A ALU tem locais de armazenamento, chamado registradores
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

10. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Fun¸c˜oes b´asicas
Com raras exce¸c˜oes os computadores de uso geral trabalham:
1 Buscando e executando as instru¸c˜oes, uma de cada vez
2 A ALU tem locais de armazenamento, chamado registradores
3 Definidos da seguinte forma:
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11. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

12. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
Registrador de buffer de mem´oria (MBR - Memory Buffer
Register): cont´em uma palavra a ser armazenada na mem´oria
ou enviada `a unidade de E/S, ou ´e usada para receber uma
palavra da mem´oria ou da unidade de E/S.
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13. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
Registrador de buffer de mem´oria (MBR - Memory Buffer
Register): cont´em uma palavra a ser armazenada na mem´oria
ou enviada `a unidade de E/S, ou ´e usada para receber uma
palavra da mem´oria ou da unidade de E/S.
Registrador de endere¸co de mem´oria (MAR - Memory Address
Register): especifica o endere¸co na mem´oria da palavra a ser
escrita ou lida no MBR.
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14. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
Registrador de buffer de mem´oria (MBR - Memory Buffer
Register): cont´em uma palavra a ser armazenada na mem´oria
ou enviada `a unidade de E/S, ou ´e usada para receber uma
palavra da mem´oria ou da unidade de E/S.
Registrador de endere¸co de mem´oria (MAR - Memory Address
Register): especifica o endere¸co na mem´oria da palavra a ser
escrita ou lida no MBR.
Registrador de instru¸c˜ao (IR - Instruction Register): cont´em o
opcode de 6 bits da instru¸c˜ao que est´a sendo executada.
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15. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
Registrador de buffer de mem´oria (MBR - Memory Buffer
Register): cont´em uma palavra a ser armazenada na mem´oria
ou enviada `a unidade de E/S, ou ´e usada para receber uma
palavra da mem´oria ou da unidade de E/S.
Registrador de endere¸co de mem´oria (MAR - Memory Address
Register): especifica o endere¸co na mem´oria da palavra a ser
escrita ou lida no MBR.
Registrador de instru¸c˜ao (IR - Instruction Register): cont´em o
opcode de 6 bits da instru¸c˜ao que est´a sendo executada.
Contador de programa (PC - Program counter): cont´em o
endere¸co da pr´oxima instru¸c˜ao a ser apanhada na mem´oria.
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16. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
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17. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
Registrador de instru¸c˜ao (IR - Instruction Register): cont´em o
opcode de 8 bits da instru¸c˜ao que est´a sendo executada.
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

18. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
Registrador de instru¸c˜ao (IR - Instruction Register): cont´em o
opcode de 8 bits da instru¸c˜ao que est´a sendo executada.
Contador de programa (PC - Program counter): cont´em o
endere¸co da pr´oxima instru¸c˜ao a ser apanhada na mem´oria.
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

19. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
ALU e Unidade de Controle
Registradores especiais
Registrador de instru¸c˜ao (IR - Instruction Register): cont´em o
opcode de 8 bits da instru¸c˜ao que est´a sendo executada.
Contador de programa (PC - Program counter): cont´em o
endere¸co da pr´oxima instru¸c˜ao a ser apanhada na mem´oria.
Acumulador (AC) e quociente multiplicador (MQ - Multiplier
Quotient): empregado para manter temporariamente
operandos e resultados de opera¸c˜oes da ALU
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20. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Estrutura interna do IAS
Fonte: Stallings
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21. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
O IAS – 1948
– Funcionamento –
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22. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
O IAS – 1948
– Funcionamento –
O IAS operava realizando repetidamente um ciclo de instru¸c˜ao,
como na figura adiante.
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23. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
O IAS – 1948
– Funcionamento –
O IAS operava realizando repetidamente um ciclo de instru¸c˜ao,
como na figura adiante. Cada ciclo de instru¸c˜ao consiste em um
ou dois subciclos.
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24. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
O IAS – 1948
– Funcionamento –
O IAS operava realizando repetidamente um ciclo de instru¸c˜ao,
como na figura adiante. Cada ciclo de instru¸c˜ao consiste em um
ou dois subciclos. Durante o clico de busca (fetch cycle), o
“opcode” da pr´oxima instru¸c˜ao ´e carregado no IR e
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

25. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
O IAS – 1948
– Funcionamento –
O IAS operava realizando repetidamente um ciclo de instru¸c˜ao,
como na figura adiante. Cada ciclo de instru¸c˜ao consiste em um
ou dois subciclos. Durante o clico de busca (fetch cycle), o
“opcode” da pr´oxima instru¸c˜ao ´e carregado no IR e parte do
endere¸co ´e carregado no MAR. Essa instru¸c˜ao pode ser retirada do
IBR ou pode ser obtida na mem´oria
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

26. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
O IAS – 1948
– Funcionamento –
O IAS operava realizando repetidamente um ciclo de instru¸c˜ao,
como na figura adiante. Cada ciclo de instru¸c˜ao consiste em um
ou dois subciclos. Durante o clico de busca (fetch cycle), o
“opcode” da pr´oxima instru¸c˜ao ´e carregado no IR e parte do
endere¸co ´e carregado no MAR. Essa instru¸c˜ao pode ser retirada do
IBR ou pode ser obtida na mem´oria carregando-se uma palavra no
MBR, e depois para o IBR, IR e MAR.
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27. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Entendendo o funcionamento da ALU e da UC
Estrutura interna do IAS
Fonte: Stallings
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

28. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Arquitetura com moderna
– Funcionamento –
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

29. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Arquitetura com moderna
– Funcionamento –
A CPU troca dados com a mem´oria. Para essa finalidade ela
geralmente utiliza dois registradores internos (`a CPU);
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30. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Arquitetura com moderna
– Funcionamento –
A CPU troca dados com a mem´oria. Para essa finalidade ela
geralmente utiliza dois registradores internos (`a CPU); um
registrador de endere¸co de mem´oria (MAR), que especifica o
endere¸co na mem´oria para a pr´oxima leitura e escrita,
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31. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Arquitetura com moderna
– Funcionamento –
A CPU troca dados com a mem´oria. Para essa finalidade ela
geralmente utiliza dois registradores internos (`a CPU); um
registrador de endere¸co de mem´oria (MAR), que especifica o
endere¸co na mem´oria para a pr´oxima leitura e escrita, e um
registrador de buffer de mem´oria (MBR), que cont´em os dados a
serem escritos na mem´oria ou recebe os dados lidos da mem´oria.
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32. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Arquitetura com moderna
– Funcionamento –
A CPU troca dados com a mem´oria. Para essa finalidade ela
geralmente utiliza dois registradores internos (`a CPU); um
registrador de endere¸co de mem´oria (MAR), que especifica o
endere¸co na mem´oria para a pr´oxima leitura e escrita, e um
registrador de buffer de mem´oria (MBR), que cont´em os dados a
serem escritos na mem´oria ou recebe os dados lidos da mem´oria.
De modo semelhante, um registrador de endere¸cos de E/S (I/O
AR) especifica um dispositivo de E/S em particular.
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33. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Arquitetura com moderna
– Funcionamento –
A CPU troca dados com a mem´oria. Para essa finalidade ela
geralmente utiliza dois registradores internos (`a CPU); um
registrador de endere¸co de mem´oria (MAR), que especifica o
endere¸co na mem´oria para a pr´oxima leitura e escrita, e um
registrador de buffer de mem´oria (MBR), que cont´em os dados a
serem escritos na mem´oria ou recebe os dados lidos da mem´oria.
De modo semelhante, um registrador de endere¸cos de E/S (I/O
AR) especifica um dispositivo de E/S em particular. Um
registrador de buffer de E/S (I/O BR) ´e usado para a troca de
dados entre um m´odulo de E/S e a CPU.
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34. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Arquitetura MIPS
Fonte: Stallings
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35. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
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36. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
In´ıcio de cada ciclo
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37. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
In´ıcio de cada ciclo
O processador busca uma instru¸c˜ao da mem´oria. Em um
processador t´ıpico, um registrador chamado contador de
programas (PC) mant´em o endere¸co da instru¸c˜ao a ser buscada
em seguida.
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38. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
In´ıcio de cada ciclo
O processador busca uma instru¸c˜ao da mem´oria. Em um
processador t´ıpico, um registrador chamado contador de
programas (PC) mant´em o endere¸co da instru¸c˜ao a ser buscada
em seguida.
Fonte: Stallings
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39. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

40. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
In´ıcio de cada ciclo
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

41. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
In´ıcio de cada ciclo
A menos que seja buscada de outra maneira o processador sempre
incrementa o PC ap´os cada busca de instru¸c˜ao, de modo que
buscar´a a pr´oxima instru¸c˜ao em sequˆencia (instru¸c˜ao localizada no
pr´oximo endere¸co mais alto da mem´oria).
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42. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
In´ıcio de cada ciclo
A menos que seja buscada de outra maneira o processador sempre
incrementa o PC ap´os cada busca de instru¸c˜ao, de modo que
buscar´a a pr´oxima instru¸c˜ao em sequˆencia (instru¸c˜ao localizada no
pr´oximo endere¸co mais alto da mem´oria). Assim considere um
computador que busca uma instru¸c˜ao na mem´oria de 16 bits
(word). Suponha que o contador de programa esteja “parado” no
local 300, o processador buscar´a esta instru¸c˜ao. No ciclos seguintes
buscar´a instru¸c˜oes nos locais 301, 302, 303, e assim por diante.
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43. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
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44. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
Categorias de instru¸c˜oes
Othon Oliveira Arquitetura e Organiza¸c˜ao de Computadores

45. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
Categorias de instru¸c˜oes
Em geral as instru¸c˜oes est˜ao em uma dessa 4 categorias
Processador-mem´oria: os dados podem ser transferidos do
processador para a mem´oria ou vice-versa.
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46. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
Categorias de instru¸c˜oes
Em geral as instru¸c˜oes est˜ao em uma dessa 4 categorias
Processador-mem´oria: os dados podem ser transferidos do
processador para a mem´oria ou vice-versa.
Processador-E/S: os dados podem ser transferidos de ou
para um dispositivo perif´erico, transferido entre o processador
e um m´odulo de E/S.
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47. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
Categorias de instru¸c˜oes
Em geral as instru¸c˜oes est˜ao em uma dessa 4 categorias
Processador-mem´oria: os dados podem ser transferidos do
processador para a mem´oria ou vice-versa.
Processador-E/S: os dados podem ser transferidos de ou
para um dispositivo perif´erico, transferido entre o processador
e um m´odulo de E/S.
Processador-dados: o processador pode realizar alguma
opera¸c˜ao aritm´etica ou l´ogica sobre os dados.
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48. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Busca e execu¸c˜ao de instru¸c˜oes
Categorias de instru¸c˜oes
Em geral as instru¸c˜oes est˜ao em uma dessa 4 categorias
Processador-mem´oria: os dados podem ser transferidos do
processador para a mem´oria ou vice-versa.
Processador-E/S: os dados podem ser transferidos de ou
para um dispositivo perif´erico, transferido entre o processador
e um m´odulo de E/S.
Processador-dados: o processador pode realizar alguma
opera¸c˜ao aritm´etica ou l´ogica sobre os dados.
Controle: uma instru¸c˜ao pode especificar a sequˆencia de
execu¸c˜ao seja alterada. Por exemplo o processador pode
buscar uma instru¸c˜ao do local 149, que especifica que a
pr´oxima instru¸c˜ao seja do local 192. O processador se
“lembrar´a” a busca apanhada do local 192 e n˜ao 150
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49. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Exemplo de execu¸c˜ao de programa
Fonte: Stallings
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50. ALU e UC
Componentes de um computador: vis˜ao de alto n´ıvel
Exemplo de execu¸c˜ao de programa
Fonte: Stallings
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