Pipeline

O que é?

Pipeline  é  uma  técnica  de  implementação  de processadores que permite a sobreposição temporal de diversas fases de execução de instruções onde  o hardware processa mais de uma instrução de cada  vez sem  esperar  que  uma  instrução  termine  antes  de começar a outra.

Os mesmos princípios podem ser aplicados aos processadores que
executam suas tarefas em pipeline.

 Tradicionalmente,  as  instruções  do  MIPS  (Microprocessor  without
interlocked  pipeline  stages  ­  Microprocessador  sem  estágios
interligados de pipeline)  são executadas em até cinco passos:
1) Busca Instrução na memória
2) Leitura dos registradores e decodificação das instruções
3) Execução de operação ou cálculo de endereço
4) Acesso a operando na memória
5) Escrita do resultado em registrador

Arquiteturas_CISC_e_RISC

Definição de CISC e RISC

CISC é o conjunto de instruções admitidas é substancialmente grande, complexo, de formato e duração diferentes. Internamente, o processador subdivide instruções complexas em instruções mais simples, o que obriga a aumentar a complexidade do chip (microcódigo) e nesses termos diminuir a velocidade de relógio para não surgirem problemas electrónicos, com as resultantes e inconvenientes perdas de desempenho ou seja é  capaz  de  executar  várias  centenas  de  instruções 

complexas diferentes, sendo extremamente versátil.

Arquitetura CISC:

Microprocessadores  CISC  (Complex  Instruction  Set  Computer)  são
fáceis de programar e permitem um uso eficiente de memória.
 A  pouco  tempo  atrás  as  máquinas  eram  programadas  única  e exclusivamente em linguagem Assembly (linguagem de máquina), e as memórias eram lentas e caras, o que justificou a filosofia CISC.
 Assim,  projetos  de  microprocessadores  clássicos,  tais  como    o  Intel 80x86 e o Motorola 68K series, seguiram a filosofia CISC.
Mudanças  recentes  na tecnologia  de  software  e  hardware forçou  uma
reavaliação em termos de arquitetura.
 Assim, muitos processadores CISC mais modernos têm implementado alguns princípios RISC  (Reduced Instruction Set Computer), tornando­ se arquiteturas híbridas mais convenientes.
 No  fundo,  a  idéia  CISC  ganhou  força  devido  ao  fato  de  ela  gerar  a necessidade  de  compiladores  de  simples  desenvolvimento,  uma  vez que  muitas  instruções  de  máquina  são  realizadas  pelo  próprio
processador.

O objectivo dos cisc é optimizar o desempenho das máquinas.

Desvantagens de cisc:

• Como as novas gerações de uma família de processador geralmente envolve  a  geração  antecessora,  tanto  o  conjunto  de  instruções quanto o hardware do novo chip tornam­-se mais complexos 
•  Instruções  diferentes  levam  quantidades  diferentes  de  período  de relógio para executar, o que pode tornar a máquina excessivamente lenta
•  Instruções  muito  especializadas  não  são  usadas  com  a  frequência suficiente  a  ponto  de  justificar  sua  existência  –  aproximadamente 20% das instruções disponíveis são usadas em um programa típico
•  Instruções  CISC  típicas  setam  “condition  codes”,  o  que  demanda tempo  de  execução,  além  do  fato  de  os  programadores  terem  um esforço extra em lembrar de examiná-­las. 

O conceito de processador RISC baseia-se na premissa de que será menos eficiente executar uma instrução complexa do que executar o conjunto de instruções simples equivalente.
Assim, os processadores RISC têm por objectivo simplificar o conjunto de instruções em diversas dimensões por forma a maximizar esta premissa ou seja são aqueles  que  utilizam  um  pequeno  conjunto  de  instruções  altamente otimizado.
Para isso, um processador RISC caracteriza-se por:

• Execução  em  um  ciclo  de  clock.  Esta  característica  é  resultado  da otimização  de  cada  instrução,  aliada  a  uma  técnica  chamada  de Pipelining;
•  Grande número de registradores para evitar uma quantidade elevada de interações com a memória.

Cada instrução consiste num grupo de bits que pode ser dividido em duas partes:

• a primeira parte indica o que é a instrução e como será executada, sendo constituída de um só campo;
• a segunda parte referese ao(s) dado(s) que será(ão) manipulado(s) na operação, podendo ser constituída por mais de um campo.

A definição dos códigos de operação do conjunto de instruções de um processador pode ser feita por duas maneiras: 

• instruções com C.Op. de tamanho fixo;
• instruções com C.Op. de tamanho variável.

No primeiro caso, todas as instruções têm um C.Op. com a mesma quantidade de bits. A implementação das instruções e sua manipulação durante a execução de um programa são facilitadas, ao passo que o tamanho do C.Op., e da própria instrução tende a aumentar, influenciando no aumento do tamanho ocupado pelo programa na MP. 

 

As instruções de máquina tem os seguintes tipos, dependendo da sua função:

• Processamento de dados: instruções aritméticas e lógicas;
• Armazenamento de dados: instruções de memória;
• Movimentação de dados: instruções de E/S;
• Controle: instruções de teste e desvio.

Instruções aritméticas são aquelas que fornecem a capacidade computacional para processamento de dados numéricos. Instruções lógicas (ou booleanas) operam sobre bits de uma palavra, na condição de bits e não de números, oferecendo, portanto, a capacidade de processar qualquer outro tipo de dado (quantitativo ou qualitativo) que o usuário possa desejar empregar, sem o estabelecimento de relações matemáticas ou algébricas entre esses dados. Instruções de memória são aquelas utilizadas para mover dados entre a memória e os registradores da UCP, uma vez que operações aritméticas e lógicas são executadas sobre dados armazenados nesses registradores. Instruções de E/S são necessárias para transferir programas e dados para a memória (provenientes de fontes externas à UCP) e para transferir resultados de processamentos computacionais de volta para o usuário. Instruções de teste são aquelas utilizadas para testar o valor de uma palavra de dados ou o estado de uma etapa de processamento computacional. Instruções de desvio são usadas para desviar a execução do programapara uma nova instrução, muitas vezes em função do resultado de um teste.

Desvantagens da arquitetura risc:

• É fato que máquinas RISC são mais baratas e mais rápidas do que as CISC, o que pode nos induzir a pensar que elas são as máquinas do futuro.
• Entretanto, o  custo de um hardware mais  simples é a necessidade de um software mais complexo.

CPU - Instruções

Definição de Instruções da Máquina

•  Código de operação: especifica a operação a ser realizada
•  Operando fonte*: operandos que constituem dados de entrada para a
operação
•  Operando de destino*: resultado que pode ser produzido pela operação
•  Endereço da próxima instrução: local onde deve ser buscada a instrução
seguinte (em alguns casos), após o término da corrente

Diagrama de estados do ciclo de instruções

Instruções de Máquina

Actualmente a duas tecnologias de projecto de processadores no mercado:

• Sistema com conjuntos de instruções complexo 

          (Complex Instruction Set Computer ­ CISC);

• Sistema com conjunto de instruções reduzido 

          (Reduced Instruction Set Computer ­ RISC).

Formato das instruções

•  a primeira parte indica o que é a instrução e como será executada,
sendo constituída de um só campo;
•  a segunda parte refere­se ao(s) dado(s) que será(ão) manipulado(s)
na operação, podendo ser constituída por mais de um campo.

Tamanho das Instruções

•  instruções com C.Op. de tamanho fixo;
•  instruções com C.Op. de tamanho variável.

No caso de implementação de instruções com um C.Op.
de tamanho variável, há a possibilidade de redução de
espaço ocupado na MP, já que permite a codificação de
um número maior de instruções usando uma menor
quantidade de bits.Esse tipo de implementação permite maior versatilidade
entre as quantidades de bits do código de operação e as
dos campos operandos, objetivando criar um conjunto de
instruções com maior número de instruções, com
quantidades diferentes de operandos, sem aumentar em
demasia o tamanho total das instruções.

Tipos de instruções

Podemos classificar as instruções de máquina nos seguintes
tipos, dependendo da sua função:
•  Processamento de dados: instruções aritméticas e lógicas;
•  Armazenamento de dados: instruções de memória;
•  Movimentação de dados: instruções de E/S;
•  Controle: instruções de teste e desvio.

• Instruções aritméticas: são aquelas que fornecem a capacidade computacional 

para processamento de dados numéricos.

• Instruções lógicas (ou booleanas): operam sobre bits de uma palavra, na 

condição de bits e não de números, oferecendo, portanto, a capacidade de
processar qualquer outro tipo de dado (quantitativo ou qualitativo) que o
usuário possa desejar empregar, sem o estabelecimento de relações
matemáticas ou algébricas entre esses dados.

• Instruções de memória: são aquelas utilizadas para mover dados entre a 

memória e os registradores da UCP, uma vez que operações aritméticas e
lógicas são executadas sobre dados armazenados nesses registradores.

• Instruções de E/S: são necessárias para transferir programas e dados para a 

memória (provenientes de fontes externas à UCP) e para transferir resultados
de processamentos computacionais de volta para o usuário.

• Instruções de teste: são aquelas utilizadas para testar o valor de uma palavra 

de dados ou o estado de uma etapa de processamento computacional.

• Instruções de desvio: são usadas para desviar a execução do programa para 

uma nova instrução, muitas vezes em função do resultado de um teste.

Ciclo de instrução

Ciclo de instrução sem Interrupção

Definição de CPU ou UCP

Unidade Central de Processamento (UCP)
Central Processing Unit (CPU)

A unidade central de processamento ou CPU (Central Processing Unit), também conhecido como processador, é a parte de um sistema computacional, que realiza as instruções de um programa de computador, para executar a aritmética básica, lógica, e a entradas e saída de dados. A CPU tem papel parecido ao cérebro no computador. O termo vem sendo usado desde o início de 1960. A forma, desenho e implementação mudaram drasticamente desde os primeiros exemplos, porém o seu funcionamento fundamental permanece o mesmo.
Podemos dividir as suas funções em 3 partes:

• Processamento e execução dos programas
• Executar as instruções 
• Controlar as operações no computador.
  
  
  Vamos aprofundar as suas funções:

• 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.
Um processador tem, por propósito, realizar operações com dados (que
denominamos processamento) normalmente numéricos.

•  Para realizar essas operações o processador necessita em primeiro

ligar interpretar que tipo de operação ele irá executar.

•  Em seguida, antes da realização propriamente dita da operação, é

necessário que os dados estejam armazenados no dispositivo que
irá executar a operação.

• Ele é projetado e fabricado com o propósito único de executar

sucessivamente pequenas operações matemáticas ou outras
manipulações de dados, na ordem e na seqüência definidas pela
organização do sistema.

•  Portanto, o processador não somente realiza o processamento, como

também controla todo o funcionamento do sistema.
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.
• Na figura ao lado vemos o
  diagrama de blocos de
  uma UCP simples, com
  destaque aos elementos
  que exercem a função
  controle:
  • Unidade de Controle
  • Decodificador de
  Instrução
  • Registrador de Instrução
  • Contador de Instrução
  • Relógio
  • Registrador de Endereços
  da Memória
  • Registrador de Dados da
  • Memória
    
    
    
    As atividades realizadas por um processador podem ser divididas em
    duas grandes categorias:
    

    •  PROCESSAMENTO

    •  Compreende a realização das atividades relacionadas com a

    efetiva execução de uma operação, envolvendo principalmente a
    Unidade LógicoAritmética
    (ULA) e os registradores internos ao
    processador.
    

    •  CONTROLE

    •  É exercida pelos componentes do processador que realizam as

    atividades de busca, interpretação e controle da execução das
    instruções, bem como o controle dos demais componentes do
    sistema de computação, tais como a memória e os dispositivos de
    entrada e saída.
     
    
    
    
    A CPU é dividida em 2 partes principais:
    •       UAL - Unidade Aritmética e Lógica

    •        UC - Unidade de Controle
      
      
      
      
      
      
      
      

      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
      Toda instrução que envolve operações aritméticas são passadas pela UC para a ALU
      Possui registradores que recebem dados e executam as operações.

      
      Diagrama Esquemático ALU
      
      

     

    
    
    A capacidade de processamento de um processador é em grande
    parte determinada pelas facilidades embutidas no hardware da ULA
    para realizar as operações planejadas.
    

    •  Um dos elementos fundamentais para isso é o tamanho da palavra

    do processador.
    

    •  O valor escolhido no projeto de fabricação determinará o tamanho

    dos elementos ligados às área de processamento, a ULA e os
    registradores de dados.
    

    •  Processadores que possuem palavra de largura igual a 16 bits

    devem ter seus registradores de dados com largura igual a 16 bits,
    e assim respectivamente naqueles que possuem 32 ou 64 bits.
    

    •  Um tamanho maior ou menor de palavra acarreta, sem dúvida,

    diferenças de desempenho do processador.

    
    
    
    A UC é o dispositivo mais complexo do processador.
    

    •  Ele possui a lógica necessária para realizar a movimentação de dados

    e instruções “de” e “para” o processador, através dos sinais de controle
    que emite em instantes de tempo determinados conforme uma
    programação prévia.
    Tem por funções a busca, interpretação e controle de execução das instruções

    Controle dos demais componentes do computador

    Orienta o fluxo de dados

    Contem o conjunto de instruções que a CPU é capaz de realizar.

    
    

    
    

    Diagrama funcional da UCP

     

    Registradores Importantes na  UCP

    Na UC - CI Contador de Instruções (em inglês: PC - Program Counter) - armazena o 

    
    

    endereço da próxima instrução a ser executada.

    
    

    Na UC - RI Registrador de Instrução (em inglês: (IR - Instruction Register) - armazena a 

    
    

    instrução a ser executada.

    
    

    Na UAL - ACC Acumulador - armazena os dados (de entrada e resultados) para as 

    
    

    operações na UAL; o acumulador é um dos principais elementos que definem o tamanho 

    
    

    da palavra do computador - o tamanho da palavra é igual ao tamanho do acumulador.
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    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 um

    
    

    
    

    segundo 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.