1 Arquitetura de Computadores Arquitetura do conjunto de instruções

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Arquitetura de Computadores

Arquitetura do conjunto de instruções

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Arquitetura de Computadores

Arquitetura de conjunto de instruções, permite dar uma visão um pouco acima do hardware, onde iremos conhecer a linguagem de máquina e a linguagem de montagem.

Vamos estudar a arquitetura ARC, baseada numa arquitetura comercial da SUN Um compilador traduz de uma linguagem de alto nível para uma de baixo nível

Um montador assembly é responsável por traduzir a linguagem de assembly para linguagem de código de máquina Linguagem com o C, pascal, fortran traduzem diretamente para código de máquina da arquitetura. A linguagem JAVA traduz para uma linguagem intermediária, chamada de byte code. A máquina virtual JAVA

interpreta o byte code para a linguagem de máquina de cada arquitetura.

Alto Nível

Baixo Nível

C, Pascal, etc -> independente de arquitetura

Montagem -> dependente de arquitetura

Hardware

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As instruções de linguagem de máquina apenas apresentam as operações de acesso lógicas aritméticas, a memória, aos I/Os e registradores.

O objetivo do barramento é reduzir o numero de interconexões entre as unidades Toda comunicação é feita pelo barramento. Nem todas as arquiteturas são assim. Existem aquelas que possuem

barramentos dedicados, por exemplo: uma exclusiva entre a CPU e a memória.

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Funcionamento típico– Um programa de feito em uma linguagem de alto nível e

armazenado no disco rígido.– O usuário carrega o programa para memória, com a ajuda

do sistema operacional. – O programa é executado, operando instruções de baixo

nível. Todas as instruções são executadas na ALU e gerenciados pela unidade de controle, o qual é responsável em direcionar quando uma instrução fará uma operação de acesso de memória, I/O ou se lógica e aritméticas devem ser realizadas.

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Um byte é composto de 8 bits ou dois nibbles Todas as outros tamanhos são compostos em

termos de bytes.

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Memória– É um conjunto de registradores que armazenam bytes e que podem ser acessados

através de um endereçamento.– Mesmo uma word ou palavras maiores podem ser acessados na memória, pois estes

dados estão organizados sequencialmente na memória.

Formatos Big-Endian e Little Endian– A forma como os dados podem estar organizado podem variar de arquitetura para

arquitetura.– Os chamados Big-Endian, tem os bytes mais significativos nos endereços mais

baixos.

– OLittle-endian tem os bytes menos significativos no endereço mais baixo.

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O acesso a memória é sequencial

A forma de acesso é apresentado pela figura ao lado.

Através do endereçamento ou “Address” podemos indicar a unidade de memória qual dado estamos interessados em acessar.

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Mapeamento de memória– Alguns dispositivos podem ter mapeando como posição de

memória as entradas e saídas de dados. Ao invés de usar I/O, um programa pode ler e escrever dados aos dispositivos simplesmente lendo ou escrevendo dados num dado endereçamento.

– Estas regiões são protegidas e são usados somente para este fim, não podem ser usados pelos programas para armazenar informações dos aplicativos.

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Considerações sobre memória– Normalmente, as memórias podem ser

considerados como um grande intervalo de endereços contínuos. Mas há outras formas de organização de memórias, como por exemplo: tipo segmentado.

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A CPU– Consiste de uma seção

contendo registradores, ALU e a Unidade de Controle.

– A seção de dados é também conhecida de DATAPATH

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A unidade de controle é responsável por executar uma por uma as instruções de código de máquina armazenadas na memória.

Utiliza dois registradores especiais, que são a interface entre a unidade de controle e de dados. São o IR e PC, o primeiro contém a instrução lida da memória. A segunda possui o próximo endereço a ser lido pela unidade de controle para a proxima instrução.

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Algoritmo básico (ciclo de busca e execução)

– Ler a próxima instrução, apontada pelo PC– Decodificar os operandos– Ler o operando da memória, se houver– Executar a instrução e armazenar os resultados– Repetir

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Datapath é feito sobre uma coleção de registradores conhecidos como registradores de arquivo e a ALU.

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Conjunto de Instruções– São uma coleção de instruções/comandos que são usados

para executar tarefas de receber, processar e transmitir dados dentro do processador. Estes conjuntos são chamados de linguagem de máquina.

– Cada arquitetura pode ter diferentes conjuntos de instruções.

– Necessidades de compiladores: C, Pascal, Java, etc.

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Compiladores– São software para gerar programas em

linguagem de máquinas.– Como entrada, são usados linguagens de alto

nível, como alinguagem C, Fortran, Pascal, etc.– Usando o código fonte, por exemplo da

linguagem C, é possível compilar um mesmo programa em várias arquiteturas diferentes.

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Processo de compilagem– Linguagem de alto nível– Linguagem de montagem– Tempo para “linkagem”– Código de máquina

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Exemplo de computador RISC– ARC

ARC é uma máquina de 32 bits com memória endereçada por byte

Podem manipular dados de 32 bits Tem áreas de memórias separadas por função

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Os menores 2048, são reservado para o S.O.

Acima de 2048 e abaixo de da pilha, é reservada para os programas do usuário

A pilha está localizada, 231- 4 e cresce em direção a endereços menores

Acima disso, entre 231 e

232 – 1 é reservado para dispositivos de entradas e saídas.

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Conjuntos de instruções especiais– Os Registradores, são memórias especiais e são diferentes

da memória, por estarem internas a CPU.– O ARC tem 32 registradores de 32 bits– Possui um PC, IR e PSR

PC Program Count IR Instrution Register PSR – registrador de status

– Load-Store – é uma arquitetura que carrega e armazena. Todos dados são necessariamente carregados em registradores para processamentos. O resultado é também sempre carregado em um registrador.

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Instruções de Movimentação de Dados– Ld e St, são respectivamente de leitura e escrita

de dados da memória para registrador e vice-versa.

– São as únicas instruções que podem acessar a memória no ARC.

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Instruções de Controle– São responsáveis por chamar subrotinas, gerar

saltos condicionais e incondicionais na execução de um algorítmos.

– Exemplo de incondicionais: Call e Jmpl– Exemplo das instruções condicionais: be, bneg,

bcs, bvs e ba

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sdf

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O Registrador PSR– Ele especifica o status a uma dada operação

aritmética.– “z”, define se uma operação matemática deu

“Zero”– “n”, define se a operação deu negativo– “c”, Carry out– “v”, Overflow

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Formato de linguagem de montagem ARC

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Registradores

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Formato das instruções

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Os Formatos de dados ARC

– Temos formatos de: Inteiros sem sinal Inteiros com sinal Ponto flutuantes

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Pseudo Ops– São operandos especiais que são necessários

que não fazem parte dos opscodes de uma arquitetura. Porém eles são necessários durante o processo de montagem de códigos de máquinas.

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Pseudo Ops

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Exemplo de código assembly

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Um pouco mais complexo

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Variações na Arquitetura e endereçamento da máquina.– Considere A = B * C + D– Dependendo do tipo de instruções usado, esta

expressão pode ocupar diferentes tamanhos.– Premissa que todos os operandos ocupem dois

bytes e opcodes apenas um byte.

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Tipo com três parâmetros

mult B, C, A A <- B x C

add D, A, A A <- A + D

– O tamanho do programa ocupado é: 7x2 = 14 bytes.

– Tráfico de Memória: 14 + 2x(2x3) = 26 bytes

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Tipo com dois parâmetros– Um dos operandos é usando para acomodar o

resultado

load B, A A <- B

mult C, A A <- A x C

add D, A A <- A + D

O tamanho do programa: 3x(1+2+2) = 15 bytes

Tráfico de memória: 15 + 2x2 + 2x3 + 2x3 = 31 bytes

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Tipo com dois parâmetros– Um dos operandos é usando para acomodar o resultado

load B Acc <- B

mult C Acc <- Acc x C

add D Acc <- Acc + D

store A A <- Acc

Tamanho do programa: 4x3 = 12 bytes

Tráfego de memória: 12 + 4 x 2 = 20 bytes

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Registradores de Uso Especial– Algumas arquiteturas possuem registradores

especiais de acordo com os fins específicos Registradores de indexação da memória, os

registradores de índice de origem (SI) e de origem (DI) do Intel 80x86 são usados para marcar o início ou fim de um vetor de memória.

Registradores de ponto flutuante: muitos processadores usam esses registradores para tratar com pontos flutuantes

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Registradores que implementa operações de tempo: o processador PowerPC 601 tem registradores de clock de tempo que oferecem medidas de tempo de alta resolução.

Registradores de apoio ao S.O. : ex: apoio ao acesso a memória

Registradores que podem ser acessados por instruções privilegiadas: são comandos que só S.O tem acesso e permissão usar.

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Modos de endereçamento

– Uma constante que é conhecido em tempo de montagem

– Conteúdo direto de um registrador

– Soma de dois registradores

– Soma de registradores e uma constante

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Ligação de Sub-rotinas

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Área de ligação de dados– A sub-rotina é linkado com uma área de dados de memória

através de r5.

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Passagem de parâmetros usando a pilha

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Exemplo de uso da pilha em linguagem de alto nível.

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Comportamento da pilha no exemplo anterior

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Cont.

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Mapeamento da memória ARC.

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Touchscreen I/O Device

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Flowchart for I/O Device

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Java Virtual Machine Architecture

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Programa Java e o arquivo com a classe compilada

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A Java Class File

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Cont

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Byte code java– Byte code disassembled para um programa java

Location Code Mnemonic Meaning

0x00e3 0x10 bipush Push next byte onto stack

0x00e4 0x0f 15 Argument to bipush

0x00e5 0x3c istore_1 Pop stack to local variable 1

0x00e6 0x10 bipush Push next byte onto stack

0x00e7 0x09 9 Argument to bipush

0x00e8 0x3d istore_2 Pop stack to local variable 2

0x00e9 0x03 iconst_0 Push 0 onto stack

0x00ea 0x3e istore_3 Pop stack to local variable 3

0x00eb 0x1b iload_1 Push local variable 1 onto stack

0x00ec 0x1c iload_2 Push local variable 2 onto stack

0x00ed 0x60 iadd Add top two stack elements

0x00ee 0x3e istore_3 Pop stack to local variable 3

0x00ef 0xb1 return Return