Pipeline

Introdução

• Na década de 70 surge uma nova técnica chamada pipeline, onde a execução das instruções é dividida em várias fases consecutivas e o processador é organizado em estágios correspondentes para execução dessas instruções.
• Pipeline  é  uma  técnica  de  implementação  de processadores que permite a sobreposição temporal de diversas fases de execução de instruções.
• Em  outras  palavras,  é  uma  técnica  de  projeto  onde  o hardware processa mais de uma instrução de cada vez sem  esperar  que  uma  instrução  termine  antes  de começar a outra.

Exemplo da lavandaria 

Divisão da Instrução em Estágios

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

Síntese final

• Em suma, o pipeline melhora o desempenho por meio do aumento do throughput das instruções, ou seja, aumento o número de instruções executadas na unidade de tempo, e não pela diminuição do tempo de execução de uma instrução individual.
• Speedup ideal é o número de estágios no pipeline
• Throughput ou taxa de transferência é a quantidade de dados transferidos de um lugar a outro, ou a quantidade de  dados  processados  em  um  determinado  espaço  de tempo.
• Speedup potencial = número de estágios do pipeline

CPU-instruções

Definição de Instruções de Máquina

A operação de uma UCP é determinada pelas instruções que ela executa,
conhecidas como instruções de máquina. A coleção das diferentes instruções
que a UCP é capaz de executar é conhecida como o conjunto de instruções do

• processador, o qual pode variar de um fabricante para outro e mesmo de um 

modelo para outro de processador.

Definição de RISC

É uma linha de arquitetura de processadores que favorece um conjunto simples e pequeno de instruções que levam aproximadamente a mesma quantidade de tempo para serem executadas

Definição de CISC

É uma linha de arquitetura de processadores capaz de executar centenas de instruções complexas diferentes sendo, assim, extremamente versátil. 

Formato das Instruções

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 aos dados que serão manipulados na operação, podendo ser constituída por mais de um campo.

Tamanho das Instruções

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.

Tipos de Instruções

Um computador deve ter um conjunto de instruções que permita ao utilizador formular qualquer tarefa de processamento de dados. Outra maneira de determinar esse conjunto de instruções é considerar os
comandos disponíveis numa linguagem de alto nível (Basic, Pascal, Fortran, C, etc.)

Podemos, então, 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

Ciclo de instrução 

• Busca (leitura) lê a próxima instrução da memória para a UCP;
• Decodifiação interpreta o código de operação e seus operandos (se existir)
• Execução efectua a operação indicada.
• Interrupção se as interrupções estão habilitadas e ocorreu uma interrupção, salva o estado do processo atual e processa a interrupção.

Central Processing Unit

• Definição de cpu

É a responsável pelo processamento e execução dos programas armazenados na MP. As funções da UCP são: executar as instruções e controlar as operações no computador.

• Sua composição 

Na figura  acima  vemos o 

diagrama  de  blocos  de 

uma  UCP  simples,  com 

destaque  aos  elementos 

que  exercem  a  função 

controle:

• Unidade de Controle
• Decodificador de Instrução
• Registador de Instrução
• Contador de Instrução
• Relógio
• Registador de Endereços da Memória
• Registador de Dados da Memória

• Definição da ULA

A  ULa   é  o  dispositivo  do  processador  que  efetivamente executa  as  operações  matemáticas  com  os  dados.  

• As suas funções são:

• Soma, subtração, multiplicação e divisão;
• Operação lógica AND, OR, XOR; 
• Deslocamento à direita, deslocamento à esquerda

• Definição de UC 

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.

• Sua função:
• controlar a transferência de dados e instruções para dentro e fora 
  da CPU;
• controlar a operação da ULA;
• controlar a execução de instruções;

• 1. Registos utilizados no UC

Registador de Instrução

Tem a função de armazenar a instrução a ser executada pela UCP.
No início do ciclo de instrução a UC emite sinais de controle sequenciados 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 

 Armazena o endereço da próxima instrução a ser executada, sendo crucial  para  o  processo  de  controle  e  de  sequenciamento  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 sequência.

• 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 um segundo  define  a  unidade  de  media  do  relógio  denominada freqüência, 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.

 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  é o intervalo de tempo gasto para ser obter um ciclo do sinal do relógio Usualmente  medido  em  unidades  de  tempo  em nanossegundos.

Frequência  é a quantidade de ciclos por segundo de um relógio. É o inverso do período.A unidade de medida utilizada para a frequência 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).

Homenagem a Steve Jobs

O cofundador e ex-presidente do conselho de administração da Apple morreu nesta quarta-feira aos 56 anos, vítima de um cancro no pâncreas que vinha tratando desde 2003. Perfeccionista, criativo, inovador e ousado, ele ajudou a tornar os computadores mais amigáveis e revolucionou a animação, a música digital e o telefone celular. Jobs marcou o mundo da tecnologia ao apresentar produtos como o Macintosh, o iPod, o iPhone e o iPad. Afastado da empresa desde 17 de janeiro para cuidar da saúde e sem prazo para voltar, o executivo renunciou ao cargo em 24 de agosto. "Sempre disse que, se chegasse o dia que eu não pudesse mais cumprir minhas funções e expectativas como CEO da Apple, seria o primeiro a informar. Infelizmente, esse dia chegou", dizia a nota à época.