Arquitectura De Um Or

Arquitectura de um computador

Conjunto de instruções do CPU

● Caracterizada por:

● Instrução: definição de uma operação elementar, capaz de ser executada pela máquina (interpretada pelo CPU)

■Conjunto de instruções do processador (ISA) ■Estrutura interna do processador (que registadores existem, etc) ■Modelo de memória (dimensão endereçável, alcance que o bus permite) ■Topologias de interligação dos componentes CPU, memória e periféricos (estruturas de buses)

● Um mesmo conjunto de instruções pode ter distintas realizações: ■diferentes processadores e famílias de processadores, com custos e desempenhos variáveis (Intel vs. AMD; PIII vs. P4 vs PM;…) ASC1 - 2006/2007

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Definição das instruções (1)

■Que operações implementar no hardware?

● Que informação deve incorporar-se no código de cada instrução? ■Como descrevemos a operação e informação usada pela operação ASC1 - 2006/2007

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Definição das instruções (2) ● Os objectivos a considerar são muitos:

● As classes de instruções necessárias são poucas:

■Aproximar das linguagens de alto nível ■Reduzir o tamanho dos programas ■Oferecer instruções poderosas e eficientes ■Instruções simples, que facilitem realização eficiente ■Oferecer diversos modos de endereçar as variáveis em memória (ex. referências, matrizes, registos) ■Reduzir o número de acessos a memória central ■Oferecer só as instruções de facto úteis ■Promover uma abordagem em que instruções mais complexas não são oferecidas, mas podem ser implementadas, pelos programas, de forma eficiente

■Aritméticas e lógicas ■Transferências de dados ■Controlo da sequência de execução

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● Que tipo de instruções se devem incluir na arquitectura?

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Definição das instruções (3)

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Exemplos de possíveis instruções ● Que instruções incluir no CPU?

● Para as boas soluções, contribuem: ■A definição do conjunto de instruções ■E todos os outros elementos da arquitectura…

● Uma boa solução é também fruto de compromissos: ■Custo ■Funcionalidade ■Desempenho ■Leis do mercado e circunstâncias tecnológicas…

■Multiplicação e divisão ■Aritmética de reais ■Chamada e retorno de funções/métodos ■Execução eficiente de ciclos tipo for ■Contar e temporizar acções ■Operar sobre cadeias de caracteres, sobre listas, sobre filas, sobre registos, sobre matrizes ■Mover e recolocar programas em memória ■Suspensão e reactivação de programas ■????

● A que nível: na arquitectura do computador ou em níveis superiores da hierarquia? (p.ex. SO?) ASC1 - 2006/2007

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1

Codificação de cada instrução máquina

Tamanho das instruções

● O formato depende do tipo de instrução:

● Quantos bits para o código? ■Depende do número de instruções distintas ■Exemplo: 8 bits  256 instruções possíveis

■O código da operação ou opcode (sempre!) ■A especificação dos operandos ou sua localização ■A especificação da localização para o resultado

● Quantos bits para os campos "op"?

● Exemplo: formato de instrução com 4 campos (3 operandos): op3
operação(op1, op2) ■Para operações com dois operandos (op1 e op2), deixando o resultado em op3 "op" pode indicar uma célula de memória ou um registo do CPU contendo o operando (op1 e op2 também podem ser o próprio valor do operando)

■codificação:

opcode op1

op2

op3

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■Depende de: ●onde estão os operandos, ●o modo como se endereça a memória, ●a capacidade do espaço de endereços

● Exemplo: ■Operandos e resultado em memória ■Memória de 64 KiloBytes  16 bits (2 Bytes) ■Então, uma instrução: 8 + 3 * 16 = 56 bits ASC1 - 2006/2007

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Que alternativas?

Instruções de 2 operandos

● Instruções com operandos e resultado em registadores do CPU: "op" terá menos bits ● Instruções com menor número de operandos ● Instruções em que só figura uma parte do endereço ● Instruções que assumem que os operandos estão em locais pré-definidos ● As instruções podem não ser todas do mesmo tamanho

● formato de instrução com 3 campos (um dos operandos também será para o resultado): op1
operação(op1, op2) ■codificação: opcode op1 op2 ■Exemplo Intel: add eax, 4 (assembly) 05 04 00 00 00 (código em hexadecimal)

■Durante a descodificação pode necessitar de ler mais informação da memória ASC1 - 2006/2007

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Instruções de 1 operando

Instruções sem operandos

● formato de instrução com 2 campos (1 operando):

● formato de instrução com 1 campo (sem operandos ou estes estão implícitos):

op
operação(op) ■codificação: opcode op

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■codificação: opcode ■exemplo: ret C3

● um único operando ■exemplo: not eax f7 d0

● ou mais operandos, mas estes estão implícitos (p.ex. um registo ou um operando pré definido) ■exemplo: inc ecx 41

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2

Um computador muito simples

Características do MARIE

Vejamos um computador (virtual) muito simples: ● MARIE (A Machine Architecture that is Really Intuitive and Easy) ■ Do livro: The Essentials of Computer Organization and Architecture, L. Null, J. Lobur ■ Simulador escrito em Java

Binário Programa em memória (máquina de Von Neumann) Opera dados de 16 bits Memória central com células de 16 bits cada; endereços de 12 bits ● Um registo interno geral: AC – acumulador (16 bits) ● Instruções de tamanho fixo, com 2 campos: ● ● ● ●

4 bits para código da operação (opcode), 12 bits para um endereço

● Entrada/Saída (I/O) de 16 bits ASC1 - 2006/2007

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0

CPU

16bits

ALU 16 bits 16 bits

Memória Central

AC InREG

16 bits

MBR MAR

16 bits

IR

BUS 12 bits

4 K words = 8 KBytes

PC

16 bits

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Arquitectura do MARIE

Arquitectura do MARIE

OutREG

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12 bits

Unidade de controlo

4095

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● MAR (Memory Address Register): endereço da posição de memória referenciada – 12 bits ● MDR (Memory Data Register): Registo que recebe o valor lido da memória ou onde se coloca o valor a escrever na memória – 16 bits ● PC (Program Counter): endereço da instrução a executar – 12 bits ● IR (Instruction Register): contém a instrução que se está a executar – 16 bits ● OutREG (Output register): contém o dado a enviar para um periférico de saída – 16 bits (8 se ASCII) ● InREG (Input register): recebe o dado lido de um periférico de entrada – 16 bits (8 se ASCII) ASC1 - 2006/2007

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Conjunto de instruções (ISA)

Notação na descrição da execução

● Codificação fixa em 16 bits ● Formato:

● Apresenta as acções internas (“microacções”) em termos das transferências entre os vários registos/memória

■4 bits para o código da instrução; 12 bits para um endereço (opcional)

■(RTN/RTL Register Transfer Notation/Language)

● A única maneira de referir um operando é pelo seu endereço em memória ■Os operandos ou estão em memória ou são implícitos

● Transferências: destino
fonte
sentido da transferência

● O destino e a fonte podem ser : Bit: 15

■Registos do CPU (MAR, PC, AC, ...) ■Mem[X] conteúdo da célula de memória na posição com o endereço X

endereço

opcode

12 11

0 ASC1 - 2006/2007

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3

Ciclo de execução no MARIE 1. Fetch Obtenção da instrução em memória

2. Decode Descodificação

3. Execute Mais à frente…

■

Fetch

while (running) { MAR
PC MBR
Mem[MAR] IR
MBR PC
PC +1 … MAR
IR[bits 11-0] if (instrução IR[bits 15-12] requer um operando da memória) { MBR
Mem[MAR] } … Executar a instrução… } ASC1 - 2006/2007

1

Load X

Carrega o conteúdo da posição de memória com endereço X no acumulador

0010

2

Store X

Guarda o conteúdo do acumulador na posição de memória com endereço X

0011

3

Add X

Soma Mem[X] com o conteúdo do acumulador, guardando o resultado no mesmo

0100

4

Subt X

Idem mas subtrai

0101

5

Input

Lê um valor para o acumulador

0110

6

Output

Escreve o que está no acumulador

0111

7

Halt

Pára a execução

1000

8

SkipCond

Salta por cima da próxima instrução de acordo com valor do acumulador

1001

9

Jump X

MAR 12 bits

16 bits

IR

16 bits BUS

Memória Central

12 bits

PC

Unidade de controlo

4095

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MAR
X MBR
Mem[MAR] AC
MBR

● Store X MAR
X, MBR
AC Mem[MAR]
MBR

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126

● Add X MAR
X MBR
Mem[MAR] AC
AC+MBR

● Subt X MAR
X MBR
Mem[MAR] AC
AC-MBR

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As primeiras 9 intruções (cont.)

Add X CPU

● As operações de entrada e saída usam valores decimais

0

ALU

AC

16 bits MBR MAR 12 bits

X

InREG

MBR

MAR
PC MBR
Mem[MAR] IR
MBR PC
PC +1

Carrega o valor X no PC ASC1 - 2006/2007

IR

OutREG

16 bits

● Load X

0001

16 bits

0

RTL das instruções do MARIE (1)

Primeiras 9 instruções

InREG

AC

125

Código Binário Hexa Mnemónica Descrição

OutREG

CPU ALU

16 bits BUS

Memória Central

MAR
X MBR
Mem[MAR] AC
AC+MBR

● A instrução skipcond usa os bits 11 e 10 para indicar a condição em que funciona:

12 bits

■00 salta (skip) se AC < 0 ■01 salta (skip) se AC == 0 ■10 salta (skip) se o AC >= 0

PC

Unidade de controlo

4095

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■a conversão para caracteres é feita automaticamente pelo simulador

129

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4

RTL das instruções do MARIE (2)

Um programa simples

● Input

Programa: Load 100 Add 101 Store 102 Halt

AC
InREG

● Output OutREG
AC

● Halt Running=False (O ciclo de execução de instruções termina)

● Jump X

Dados em memória antes da execução: 100: 24 101: 1 102: 0

PC
IR[11-0]

Dados em memória depois da execução: 100: 24 101: 1 102: 25

● SkipCond if ( IR[11-10] == 002 ) if ( AC < 0 ) PC
PC + 1 else if ( IR[11-10] == 012 ) if ( AC == 0 ) PC
PC + 1 else if ( IR[11-10] == 102 ) if ( AC >= 0 ) PC
PC + 1 ASC1 - 2006/2007

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Linguagem “assembly”

Papel de um “assembler”

● Mnemónicas para as instruções máquina ● Operandos das instruções:

● Assembler é o tradutor da linguagem de Cabeçalho: assembly para a máquina

■Constantes (binário, decimal, hexadecimal) ■Endereços (podem ser simbólicos: etiquetas)

ORG 100 Load A Add B Store C Halt A, dec 24 B, hex 1 C, hex 0

● Características de um dado processador ■Nem todos os usos das mnemónicas podem ser válidos

● Pseudo instruções ■Não correspondem a instruções máquina ■Indicações dadas ao “assembler” ●Exemplos: comentários; indicar o endereço de carregamento em memória; valor inicial do PC ASC1 - 2006/2007

End. de carregamento Valor inicial do PC 0001000100000100 0011000100000101 ... ...

Assembler

0000000000011000 0000000000000001 0000000000000000

Ficheiro texto com o código em assembly 133

Etiquetas

Ficheiro objecto ASC1 - 2006/2007

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Processamento das etiquetas ● “Assembler” processa o ficheiro linha a linha. Quando encontra uma etiqueta não sabe ainda o endereço de memória correspondente. ● Tem de fazer dois passos sobre o ficheiro fonte

● Permitem designar simbolicamente as posições de memória Load A 100 Load 104 Add B 101 Add 105 Store C  102 Store 106 Halt 103 Halt A, Dec 24 104 0024 B, Hex 1 105 0001 C, Hex 0 106 0000 ASC1 - 2006/2007

■No primeiro passo, é criada uma tabela de todos os símbolos

■No segundo passo o espaço dos endereços que não tinha sido preenchido, já o pode ser 135

ASC1 - 2006/2007

0x100

0001 ???? ???? ????

0x101

0011 ???? ???? ????

0x102

0010 ???? ???? ????

A

0x104

B

0x105

C

0x106

0x100

0001 0001 0000 0100

0x101

0011 0001 0000 0101

0x102

0010 0001 0000 0110 136

5