Aluno: Guilherme Cardoso Professor: Felipe Pedroso
ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES Projeto - Processador
13 de junho de 2014. Vila Velha - ES
1. PROCESSADOR
Um processador é um dispositivo de extrema importância em qualquer circuito, ele é capaz de executar diversas funções de cálculos e t omar inúmeras decisões. Para entendermos a fundo como funciona um processador, foi proposto a criação de um processador de 4 bits ao longo do semestre utilizando o software “Logisim” para descrevermos o funcionamento do mesmo, como mostra a figura 01.
Figura 01: Layout de um processador utilizando o Logisim.
Esse processador realiza operações de 4 bits, além de apresentar dispositivos de entrada e saída, conta com três registradores (PC, IR e AC), uma ULA, uma unidade de controle, além de conter uma memória ROM e uma memória RAM, que serão estudados a seguir.
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2. UNIDADE DE CONTROLE
A unidade de controle é responsável por administrar todo o processador, além de dizer a hora que cada componente deve ser ativado, contando com um divisor de clock, entrada e saída de dados e dois registradores para os flag’s (ver
tópico 4).
Figura 02: Visão geral da unidade de controle.
Como podemos ver na figura 02, toda lógica da unidade de controle foi feita utilizando portas lógicas assim como em todo o processador.
2.1.
Divisor de clock
O divisor de clock é responsável por “quebrar” o clock de entrada em vários clock’s, ele também é responsável pela veloci dade de execução do
processador, ou seja, quanto mais você dividir um ciclo de clock, mais tarefas serão executadas, tornando assim o processador mais rápido, no caso do divisor de clock utilizado nesse processador mostrado na figura 03, faz com que a cada ciclo de clock ele execute dois clock’s .
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Figura 03: Unidade de Controle – Divisor de clock.
Esse divisor de clock foi feito utilizando dois flip-flops do tipo D, gerando um contador “Gray” (faz com que a cada clock só atualize um bit por vez) de 2 bits, filtrando a saída do contador com portas AND, gerando C1, C2, C3 e C4.
2.2.
Conjunto de instruções
O conjunto de instruções é o que dá um “norte” para a unidade controle,
ela define tudo o que será feito pela unidade de controle, e algumas funções, são baseadas nessa tabela, como por exemplo, a ULA (Unidade Lógica Aritmética) foi toda projetada para executar as operações MOV, ADD, SUB, OR e NOT.
Cod. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
Conjunto de Instruções Função OPC+E Descrição MOV 0000 AC <= X MOV 0001 AC <= M(X) ADD 0010 AC <= AC + X ADD 0011 AC <= AC + M(X) SUB 0100 AC <= AC – X SUB 0101 AC <= AC – M(X) OR 0110 AC <= AC OR X OR 0111 AC <= AC OR M(X) NOT 1000 AC <= AC NOT X NOT 1001 AC <= AC NOT M(X) IN 1010 AC <= AC << USB 3.0 OUT 1011 AC <= AC >> HDMI JPZ 1100 PC <= X SE FLAG Z JPO 1101 PC <= X SE FLAG O GO 1110 PC <= X STR 1111 M(X) <= AC Tabela 01: Conjunto de Instruções.
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2.3.
Entradas
A unidade de controle conta com 5 entradas de dados, duas entradas reservadas para alimentação e reinicialização da unidade de controle, o CLK (clock) e o CLR (reset), mais duas entradas para flag’s (ver tópico 4) e uma entrada para instrução (Essa entrada é o que defini o que o processador tem que fazer).
Figura 04: Unidade de Controle – Entrada de dados.
A Instrução vem do acumulador IR, que estudaremos mais adiante, ela é composta de 8 bits, sendo que ela é dívida em três partes, o “OPC” – Operation Code (Código de Operação) que é constituído de 3 bits, o “E” que é referente à
atribuição para a maioria das vezes, onde o mesmo informa se deve ser usado o valor “X” ou usar o valor “M(X)” (memória RAM), e por fim o “X” que é a
informação Os dois flag’s da unidade de controle que aparecem no canto inferior
direito da figura 04, estão acompanhados de flip- flop’s do tipo D, pois estes flag’s ativam uma determinada função baseados no ciclo anterior, ou seja, eles existem para que eles não venham a gerar algum tipo de interferência referente ao ciclo atual.
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2.4.
Saídas
As saídas da unidade de controle são responsáveis pela ativação de todos os outros componentes, os acumuladores, os reset’s, as memórias ROM e RAM,
a ULA, as saídas filtradas da “Instrução” (OPC, E, X) e algumas delas são saídas que ativam determinadas ações, que podemos chama-las de especiais (store, buffer e load), toda a lógica por de trás das saídas da unidade de controle está baseada em portas lógicas, fazendo com que as saídas obedeçam certas condições.
Figura 05: Unidade de controle – Saídas.
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3. ACUMULADORES
3.1.
PC – Program Counter (Contador de Programa)
Os acumuladores são mecanismos que recebem uma informação e passam a mesma adiante só quando recebem o clock, só que o PC recebe alguns componentes a mais, pois o PC é responsável pela posição que a ROM irá tomar (a ROM é onde o código será inserido pelo programador, baseado no conjunto de instruções da tabela 01).
Figura 06: PC – Program Counter.
Esse acumulador é constituído de um contador de 4 bits além de um sistema de inserção de dados (usado pelas funções GoTo e Jump). Foi utilizado um contador síncrono com flip- flop’s JK, constituído de um sistema baseado mais uma vez em portas lógicas, onde o que estiver na posição X irá aparecer na saída se e somente se Load for 1 junto com um pulso de clock, nos dando a possibilidade de manipular as posições da ROM, ao invés de fazer códigos sequências.
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3.2.
IR – Instruction Register (Registrador de Instruções)
O IR é um acumulador simples com a única diferença que os seus dados têm 8 bits, a sua função é pegar o que está na ROM como instrução e transferir para a unidade de controle, para que assim a unidade de controle possa executar a instrução.
Figura 07: IR – Instruction Register.
3.3.
AC – Accumulator (Acumulador)
O AC é igual ao IR, um acumulador simples com a única diferença que os seus dados têm 4 bits, a sua função é pegar o que está na saída da ULA e alimentar o buffer, realimentar a ULA e mostra no display de 7 segmentos, e com a adição de componentes de entrada e saída, o AC também alimenta a saída de dados (se olharmos a figura 01, quando a OUT é ativada a saída faz um paralelo com o AC).
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Figura 07: IR – Instruction Register.
Um ponto importante a ser lembrado é de que todos os acumuladores do nosso processador (PC, IR e AC) contém uma entrada em todos eles referente ao reset, na qual todos eles são ligados à um Master Reset, que fica no processador, podemos observar o mesmo na figura 01. Podemos citar também a memória de todos os acumuladores, aqui usamos o flip-flop do tipo D, que tem como característica principal de memorizar o valor recebido pela entrada D após um pulso de clock, fazendo com que entrou vá para a saída e só se atualize com um novo pulso de clock.
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4. ULA – UNIDADE LÓGICA ARITMÉTICA
Um dos componentes indispensáveis de um processador é a ULA, que nada mais é do que uma calculadora que efetua diversas operações. Basicamente a ULA é constituída de três entradas e três saídas, sendo duas entradas para os dados a serem trabalhados, a outra entrada sendo a que seleciona a operação, conhecida como “Operation Code” (Essa entrada leva a um circuito responsável pela seleção da função a ser executada, chamada de “Gerador de Produtos Canônico” ), uma saída para o resultado e as outras duas
saídas usadas como indicadores, chamadas de “Flag de Zero” e “Flag de Overflow”. O Flag de Zero indica que na saída do resultado não há nenhum bit ativo (quando a saída retorna zero), fazendo com que o indicador retorne “1”, já
o Flag de Overflow indica quando há um estouro na saída, isso acontece quando, por exemplo, as duas entradas de 4 bits retornam uma saída de 5 bits sendo que a saída suporta apenas 4 bits, fazendo com que retorne “1” para o indicador.
Iremos dividir a nossa ULA em basicamente três componentes: Operadores – MOV, ADD, SUB, AND, OR, NOT
Gerador de Produtos Canônicos – GPC
Saidas – Flag’s e Saída
4.1.
Enable
Antes de começar a falar sobre as operações, abordaremos um ponto importante da ULA, o circuito que faz com que as operações sejam liberadas depois de terem sido escolhidas pelo Gerador de Produtos Canônicos – GPC, circuito esse que fica dentro de cada circuito de operação, seja ele o de MOV, ADD, SUB, AND, OR ou NOT, como mostra a figura 08. Basicamente esse circuito auxilia a ULA a não deixar com que haja mais de uma saída de operadores (MOV, ADD, SUB, OR ou NOT) na saída final da ULA, impedindo que haja conflitos de informações no resultado. 10
Figura 08: ULA – Enable.
4.2.
Operation Code (OPC) e Gerador de Produtos Canônicos (GPC)
OPC: Circuito responsável pela definição da função a ser realizada pela ULA, para esse circuito foi feito uma simples “Tabela Verdade”: Função MOV ADD SUB OR NOT
OPC 000 001 010 011 100
Tabela 02: Tabela verdade e suas referentes funções.
GPC: Circuito responsável por receber o OPC e habilitar a função programada, o circuito abaixo foi feito baseado na Tabela 1:
Figura 09: Circuito GPC
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4.3.
MOV - Mover
O circuito MOV nada mais é do que um circuito passador, ou seja, o que entra sai, mas como falado anteriormente o mesmo já está subordinado ao circuito Enable, como mostra a figura 10:
Figura 10: ULA – Circuito MOV.
4.4.
ADD – Somador
O circuito somador foi feito em duas partes, a primeira parte foi um somador de 1 bit, e depois dele pronto, foi feito uma associação com 4 deles, formando assim um somador de 4 bits, segue a Tabela Verdade e os mapas de Karnaugh referente ao circuito somador de 1 bit: Vem
A
B
Saída
Vai
0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 Tabela 03: Tabela verdade de um somador de 1 bit.
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Figura 11: Mapa de Karnaugh referente à Saída do somador de 1 bit.
Figura 12: Mapa de Karnaugh referente ao “Vai Um” do somador de 1 bit.
Figura 13: Circuito somador de 1 bit.
Logo após ter concluído o circuito somador de 1 bit, foi associado 4 circuitos somadores de 1 bit, fazendo com que se tornasse um circuito somador de 4 bits, nesse circuito em sua saída foi adicionado mais uma vez o circuito “Enable”, na f igura 14 podemos observar como foi feito essa associação.
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Figura 14: Circuito somador de 4 bits.
Podemos notar que para este circuito foi “isolado” de certa forma o “vem um” forçando a sempre entrar zero, mas não alterando o “vai um” do último
circuito, o flag de overflow.
4.5.
SUB – Subtrator
Para este circuito foi utilizado um circuito somador, mas foi implementado o complemento dois. O complemento dois nada mais é do que inverter os bits da parte negativa e somar mais um bit:
Carry-Out: Aciona o Flag de Overflow Figura 15: Demonstração de complemento dois.
Dessa forma foi utilizado um método para que sempre que fosse ativado o SUB pelo GPC, ele invertesse a parte negativa.
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Figura 16: Circuito subtrator de 4 bits.
A figura 16 mostra que foi utilizado uma porta XOR (essa porta faz com que retorne 1 apenas quando as entradas forem diferentes) da seguinte forma. Em uma das entradas chega “B” de 4 bits, e para inverter os bits de B foi feito
um XOR com uma entrada de 4 bits, todas elas em nível Alto (número quinze 1111), por exemplo, quando SUB estiver ativado e B for 0100 (número quatro em binário) e na outra entrada for 1111 (número quinze em binário), e sabendo como a porta XOR funciona, a saída será o valor 1011, o inverso de B, e para finalizar o “Complemento 2”, uma saída nível alto entra no “Vem Um” do primeiro
somador de 1 bit fazendo com que agora o valor de B seja 1100, dessa forma o valor de B está pronto para ser somado com A. Quando a OPC libera a função SUB para o GPC, o mesmo retorna nível alto para o Enable do SUB, um detalhe importante que podemos observar na figura 16 é que a mesma entrada do Enable serve para ativar (retornar um) ao vem um e ativar a segunda entrada do XOR.
4.6.
OR – OU
O circuito OR faz um “ou lógico” entre A e B (todos os dois de 4 bits),
fazendo com que retorne 1 apenas quando uma das entradas forem nível alto.
Figura 17: Circuito OR de 4 bits.
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4.7.
NOT – NÃO
O circuito NOT faz uma negação do que entra em B (4 bits), fazendo com que retorne o valor inverso da entrada.
Figura 18: Circuito NOT de 4 bits.
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5. MEMÓRIA ROM E MEMÓRIA RAM
5.1.
Memória ROM
A memória ROM é um componente capaz armazenar instruções a serem realizadas pelo processador, a memória ROM utilizada nesse processador é uma ROM com 16 posições que são acessadas por um endereço de 4 bits e 8 bits para dados, é importante lembrar que a programação na ROM é feita em hexadecimal. Ela funciona da seguinte forma, o PC libera um endereço na entrada “A” da ROM, a unidade de controle libera o clock fazendo com que a saída “D” alimente o IR.
Figura 19: Memória ROM 8x16.
5.2.
Memória RAM
A memória RAM é utilizada para alojar valores resultantes das desições da unidade de controle, seguindo o mesmo tamanha da ROM.
Figura 20: Memória RAM 8x16.
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6. DISPOSITIVO DE ENTRADAS E SAÍDAS
6.1.
Entradas
O dispositivo de entrada deste processador, foi intitulado de “USB 3.0”, ele tem por finalidade a entrada de dados, o USB 3.0 tem 16 entradas de dados, todas elas no tamanho de 4 bits. Quando a função é escrita na ROM, em seus primeiros quatros número a unidade de controle define que tem que ativar o dispositivo de entrada, fazendo com que primeiramente ele ative um MUX para que o valor de AC não seja contaminado pelos outros quatro bits da ROM, pois a função do dispositivo de entrada é pegar o que estiver na posição descrita e transferi-la para o AC, abaixo podemos ver como foi feito tal dispositivo.
Figura 21: Dispositivo de Entrada – “ USB 3.0 ” – visão interna e visão geral.
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6.2.
Saídas
O dispositivo de saída desse processador foi intitulado de “HDMI”, sua função é transferir o que estiver no AC para a saída, respeitando a posição descrita na ROM, o dispositivo de saída necessitou de um DMX (Demultiplexador) e de 16 flip-flop’s do tipo D (com a mesma finalidade dos registradores dos flag’s), para que as saídas não fiquem “flutuando” além de uma porta AND, para o circuito de acionamento do “HDMI”, na figura podemos observar o dispositivo.
Figura 22: Dispositivo de Saída – “ HDMI ” – visão geral.
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