Projeto microarquitetura

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Projeto de Microarquitetura 0. Introdução A Unidade Central de Processamento (CPU) é um dos principais elementos que compõem a estrutura de um computador. Segundo Tanenbaum (1992)* a CPU é composta pela Unidade de Controle, Unidade Lógica e Aritmética e Registradores. A Unidade de Controle é responsável pela busca e decodificação de instruções, bem como pelo controle dos demais elementos quecompõem a CPU. A Unidade Lógica e Aritmética faz operações lógicas como E (And), OU (Or), entre outras e operações aritméticas como adição e subtração. Os Registradores são pequenas áreas de armazenamento que funcionam como memórias de rascunho de informações, durante o processamento. Outro elemento importante que constitui a estrutura de um computador é a Memória, cuja função é armazenar programas edados. Dois registradores importantes são o Contador de Programa (Program Counter – PC) e o Registrador de Instrução (Instruction Register – IR). O PC aponta para a próxima instrução a ser executada, ou seja, ele contém o endereço de memória da próxima instrução. O IR tem a função de armazenar a instrução que está sendo executada. O ciclo de execução de uma instrução de dado por uma série depassos: 1. Busca a próxima instrução da memória para o registrador de instrução; 2. Atualiza o contador de programa para que ele aponte para a instrução seguinte; 3. Determina o tipo de instrução; 4. Se a instrução usa dados da memória, determina onde eles estão; 5. Busca os dados, se houver algum, para registradores internos da CPU; 6. Executa a instrução; 7. Armazena os resultados em locaisapropriados; 8. Volta ao passo 1 para iniciar a execução da próxima instrução.

1. Objetivo O objetivo deste trabalho é desenvolver, documentar e simular no Digital Works o projeto de um processador de 4 bits, e elaborar programas que sejam executados pelo mesmo. A documentação deverá conter as formas de onda dos sinais de controle, as tabelas da verdade, mapas de Karnaugh, expressões lógicassimplificadas e circuitos lógicos. A simulação deverá conter macros para os diversos elementos que compõem o processador.

2. Arquitetura A arquitetura do processador está apresentada na Figura 1. As setas largas indicam barramentos de dados. O traço oblíquo que corta a seta é acompanhado de um valor que indica o número de linhas do barramento, ou seja, o número de bits que trafegam simultaneamente nomesmo. As linhas estreitas indicam linhas de controle de apenas 1 bit. As setas indicam o sentido de tráfego das informações, identificando o transmissor e o receptor, bem como a existência de barramento bidirecional.

*

TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. Rio de Janeiro: LTC, 1992.

Instrução

Instrução

Clock

8

Memória de Programa ROM (16 x 8 bits)Endereço

8

Registrador de Instrução (IR)
Leitura / Escrita Seleção de Chip Endereço / Constante

Memória de Dados RAM (16 x 4 bits)

Porta de entrada paralela (00h)
Buffer Dados

4

Seleção de Chip 4 4

Contador de Programa (PC)

Clock Reset Load Endereço

Modo de Endereçamento

0

MUX
4

1

Unidade de Controle
Operação Direção

4

Zero

Reset

4

3

ULAOverflow 4

Clock
Enable Buffer Porta paralela Enable Buffer AC Overflow Zero

Clock

4

Z C

Acumulador (AC)

Buffer

Display

Figura 1 – Arquitetura do processador.

3. Características 3.1 Formato de instruções

Cada instrução do processador será composta por 8 bits, representando a operação a ser executada e os parâmetros necessários para sua execução. A quantidade de bitsreferentes à operação pode variar, assim como a quantidade e o tipo de parâmetros requeridos. 3.1.1 Formato das instruções lógicas e aritméticas As instruções lógicas e aritméticas do processador terão o formato apresentado na Figura 2.
7 5 4 Operação E 3 Parâmetro 0 Bit Instrução

Onde: Operação – é o código da operação a ser executada (3 bits); E – é o modo de endereçamento a ser utilizado (1...
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