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Organização Estruturada de Computador
O Nível de Arquitetura do Conjunto de Instruções
Resumo Básico do Conteúdo ISA
Introdução
Nível ISA - é a interface entre o software e o hardware
Pode-se ter hardware que executa diretamente programas escritos em Alto Nível? Isso não é uma boa idéia. Porque?
Metodologia empregada pelos Arquitetos de Sistemas o Aceita-se programas em diversas linguagens de Alto Nível o Traduz-se a linguagem para uma linguagem intermediária - o nível ISA o Constróe-se um hardware, com ou sem microprogramação, que executa instruções do nível ISA
A figura 5.1 mostra a relação entre os compiladores, o nível ISA e o Hardware
Fig 5.1 O nível ISA é a interface entre os compiladores e o hardware
O Nível ISA depende de uma negociação entre os projetistas de compiladores e os engenheiros de Hardware o Engenheiros de Hardware felizes e o Desenvolvedores de Software contentes
As novas máquinas devem ser compatíveis com: o Antigos Sistemas Operacionais o Aplicações já desenvolvidas o O desafio é construir máquinas melhores e compatíveis com as anteriores
Quais as características que uma boa ISA deve ter?
- Ser implementada com eficiência, tanto nas tecnologias atuais como nas futuras hardware mais simples hardware com melhor tecnologia disponível
- Facilidade de se gerar código para a ISA
Na próximas seções veremos como isso é possível.....
Visão Geral do Nível
- Propriedades do Nível ISA
O nível ISA define o aspecto da máquina para um programador de linguagem de máquina
Para gerar código para o nível ISA o projetista do compilador deve conhecer: o o modelo de memória da máquina o quais os registradores estão implementados o os tipos de dados e de instruções disponíveis
Também afetam a performance e deve ser visível ao projetista do compilador: o se a máquina é microprogramada ou hardwired o se é projetada ou não em pipeline o superescalar ou não
Para algumas arquiteturas não existe uma documentação formal de especificação o fabricante não quer clones de sua máquina (ex: Pentium-Intel)
Para outras arquiteturas o nível ISA é especificado por um documento formal o permitindo que diferentes implementadores construam máquinas distintas, rodando o mesmo software (chips funcionalmente identicos com diferenças em preço e performance) o O documento formal contém seções normativas : que impoem requisitos que devem ser atendidos na implementação seções informativas : que ajuda o leitor a entender os requisitos sem entrar na definição formal conjuntos de testes : conjunto de testes específicos para se verificar a implementação em relação a especificação formal
O documento com as definições deve informar: o O modelo de memória adotado o Quantos e quais registradores estão implementados o O que cada instrução faz
As figuras 5.3 e 5.4 abaixo exemplificam as estruturas dos registros do Pentium II e do UltraSparc II
Fig 5.3 Os principais registradores do Pentium II
Registrador Nome alternativo Função R0 GO Valor armazenado fixo em O por hardware. As tentativas de armazenamento nesse registrador são ignoradas. R1-R7 G1-G7 Armazena variáveis globais R8-R13 O0-O5 Armazena parâmetros para procedimentos a serem chamados R14 SP Apontador de pilha R15 O7 Registrador de rascunho R!6-R23 LQ-L7 Armazena as variáveis locais do procedimento corrente R24-R29 I0-I5 Armazena os parâmetros de entrada R30 FP Ponteiro para a base do quadro de pilha corrente R31 I7 Armazena o endereço de retorno para o procedimento corrente
Fig 5.4 Os registradores de propósito geral do UltraSparc II
- Instruções
O conjunto de instruções controlam tudo o que a máquina pode fazer Tipos de instruções típicas: o LOAD , STORE - realizam o movimento de dados e instruções entre memória e registradores o MOVE - realizam cópia de valores entre registros o ADD , SUB , MULT ,... - realizam operações aritméticas
o AND , OR , XOR , ... - realizam operações lógicas o EQ , NEQ , LEQ ,... - realizam operações de comparação o GOTO - operação de desvio
Tipos de Dados
Se existe suporte de hardware para um determinado tipo de dado o usuário não pode manipular dado em formato particular diferente do especificado (implementado) Se não existe esse suporte o usuário tem maior flexibilidade para trabalhar com tipos diferentes ou próprios
Tipos de Dados Numéricos o Inteiros Comumente de 8, 16, 32 e 64 bits, com sinal e sem sinal Muitas vezes representados em complemento de 2 Exemplo: Para o caso de 32 bits sem sinal temos 2^32 valores inteiros Exemplo: Para caso de 32 bits com sinal temos 2^31 valores inteiros mais o sinal o Ponto Flutuante Comumente de 32, 64 e 128 bits, com sinal e sem sinal Considera-se o sinal, a parte inteira e a parte decimal Podem existir registradores específicos para esses tipos de dados
Tipos de Dados não numéricos ( o Textos ou alfanuméricos Tipicamente usados em processadores de texto, planilhas e banco de dados Códigos mais usados atualmente: ASCII (8 bits) e UNICODE (16bits)
PARTE II Nesta aula abordaremos com mais detalhes o nível da arquitetura que tem como função implementar a camada ISA situada acima dele.
O texto abaixo é um resumo das seções 5.3 e 5.4 do capítulo 5 do livro: Organização Estruturada de Computadores de Andrew S. Tanenbaum, 4a Edição, 2001. As figuras do texto foram obtidas do material disponibilizado na internet pelo autor desse mesmo livro.
Importante : O resumo abaixo deve ser complementado, pelo aluno, com a leitura do texto original do livro.
O ISA deve ter a capacidade de suportar o acréscimo de novas instruções O ISA deve ser capaz de explorar novidades ao longo do tempo de vida Algumas decisões tomadas quando do projeto ISA podem revelar-se inadequadas ao longo do tempo, principalmente se a tecnologia for incompatível com a implementação do ISA
o Em geral as instruções pequenas são mais atraentes do que as grandes. Porque? A banda passante (número de bits por segundo que a memória é capaz de liberar) da memória tem crescido menos que a velocidade dos processadores. As memórias atuais não tem a capacidade de suprir instruções e operandos na velocidade que o processador pode consumi-las. Um programa feito com instruções de 16 bits gasta metade do espaço de memória de um programa com instruções de 32 bits. Deve-se considerar, também, a taxa de crescimento do preço de memória e a taxa de crescimento do tamanho dos programas.
o Por outro lado, a minimização do tamanho das intruções pode dificultar muito a sua decodificação. O projetista é obrigado a usar um conjunto restrito de códigos para as instruções e o projeto pode não ser flexível para aumento da quantidade de instruções
o Importante :
- O tamanho ideal de uma instrução deve considerar, além do preço da memória, o tempo de decodificação e de execução de uma instrução.
- Como os processadores modernos são capazes de executar várias instruções no mesmo ciclo de clock, torna-se imperativo um mecanismo de busca de várias instruções em cada ciclo de clock (memórias cache)
- Quando uma instrução tem endereços, o tamanho do endereço deve ser compatível com o tamanho máximo da memória do computador. Mas, memórias maiores requerem endereços mais longos resultando em instruções maiores.
Expansão dos códigos de operação
o Vamos analisar a relação entre os códigos de operação e os endereços. o Uma instrução com ( n + k ) bits, com um código de operação de k bits e um único endereço expresso em n bits, permite: a codificação de 2 k^ operações diferentes e, a referência a 2 n^ células de memória
o O que ocorreria se, nessa mesma instrução com ( n + k ) bits, fossem usados k-1 bits para código de operações e n+1 bits para endereçamento? esse formato codificaria metade das instruções e poderia endereçar uma memória duas vezes maior. considera que o código de operação de uma instrução pode ser expandido, caso ele não precise de todos os campos dos operandos (endereços)
o o conceito de expansão do código de operação pode ser visualizado melhor por meio de um exemplo. Considere a instrução mostrada na figura 5.11:
temos 4 bits para cada endereçamento de cada um dos tres operandos. temos 4 bits para o código de operação e, portanto, podemos codificar apenas 16 tipos de instruções diferentes
Fig 5.11 Instrução com um código de operação de 4 bits e três campos de endereço de quatro bits cada um.
Uma questão importante é saber se, para essa arquitetura, todas as instruções requerem 3 operandos. Caso a resposta seja afirmativa, então nada se tem a fazer (ou seja, não se pode expandir o código de operação ) Caso a resposta seja negativa, então pode-se expandir o código de operação para aquelas instruções com um número menor de operandos. Neste caso novas operações podem ser definidas, como mostrado no esquema da figura 5.12.
Modos de Endereçamento
o Como os bits de endereçamento são interpretados no processo de localização do operando? Normalmente esses bits contêm o endereço do operando na memória Mas isso não é regra geral.
o Vamos analisar alguns modos de endereçamento.
Endereçamento Imediato
o O campo de instrução de endereçamento contém o valor do operando o Esse operando é conhecido como operando imediato , pois ele é trazido automaticamente da memória, na própria operação de busca da instrução. o Mais usado para especificar constantes de valor pequeno. Porque? o A Figura 5.16 mostra um possível formato pra uma instrução imediata que efetua a cara da constante 4 no registrador R1.
MOV R1 4
Figura 5.16 Instrução com operando imediato, para carregar o valor 4 no registrador 1.
Endereçamento Direto
o O operando armazenado na memória é informado pelo seu endereço completo o Esse modo de endereçamento é conhecido como modo de endereçamento direto. o O endereçamento direto só pode ser usado para acessar variáveis globais cujo endereço seja conhecido em tempo de compilação. Porque?
Endereçamento Via Registrador
o é, conceitualmente, idêntico ao endereçamento direto, mas especifica um registrador em vez de um endereço de memória. o é o modo de endereçamento mais usado na maioria dos processadores (mantem-se as variáveis mais usadas no processamento e aproveita-se o baixo tempo de acesso e nro de bits reduzido dos regitradores) o não pode ser usado em operações de carga (LOAD) e armazenamento (STORE) envolvendo memória principal. o
Endereçamento Indireto Via Registrador
o o operando especificado vem da memória ou vai para a memória, mas seu endereço não está gravado na instrução, (como no endereçamento
direto). O endereço é obtido indiretamente a partir do endereço de um registrador de referência. o por exemplo, quando se tem um loop de manipulação de um array usa-se o endereço do início do array como referência e os demais são obtidos indiretamente com base nessa referência. o
Importante : Existem outros tipos de endereçamento ( Indexado, Base- Indexado, Via Estrutura de Pilha, ...) que não serão tratados neste curso, mas devem ser estudados e considerados pelos profissionais responsáveis pelo projeto do ISA de um computador.
Nesta aula abordaremos com mais detalhes o nível da arquitetura que tem como função implementar a camada ISA situada acima dele.
O texto abaixo é um resumo das seções 5.5 e 5.6 do capítulo 5 do livro: Organização Estruturada de Computadores de Andrew S. Tanenbaum, 4a Edição, 2001. As figuras do texto foram obtidas do material disponibilizado na internet pelo autor desse mesmo livro.
Importante : O resumo abaixo deve ser complementado, pelo aluno, com a leitura do texto original do livro.
Tipos de Instruções
As instruções do nível ISA podem ser agrupadas segundo suas funcionalidades. Segue, abaixo, a descrição das categorias mais comuns de instruções de máquina, sem a pretensão de esgotar o assunto.
Instruções de Movimento de Dados
o Compreende, na verdade, a uma duplicação de dados. Cria-se um novo objeto, com a mesma configuração de bits do objeto original. O conteúdo original da memória não é apagado (pelo menos de imediato)
o Existem duas razões que motivam a a cópia de dados de um lado para outro.
1. A atribuição de valores a variáveis Por exemplo: O comando A = B é implementado copiando-se no endereço A o valor armazenado em B. 2. Disponibilização de dados em locais de acesso mais eficiente.
1011 1101 10 11 A
00 10 1111 0110 A deslocado 2 bits à direita, sem extensão de sinal 11 10 1111 0110 A deslocado 2 bits à direita, com extensão de sinal
Comparações e Desvios Condicionais
o Os programas precisam ter a capacidade de testar seus dados e alterar a sequência de execução de suas instruções com base nos resultados desses testes. Por exemplo, a instrução sqrt ( x ) - raiz quadrada de x - deve testar o valor de x antes de ser executada. Se x >= 0 o resultado é a raiz quadrada de x, caso contrário, a instrução deve desviar a sequência de execução para um LABEL de erro ou "warning".
o Os desvios podem ser determinados pela comparação de 1 bit de dados. Exemplo: Para saber se um dado é positivo ou negativo, basta comparar seu bit mais significativo com 0 ou 1 respectivamente.
o Também, é comum utilizar-se desvios ao comparar-se um dado com o valor 0 (por exemplo em loops do tipo while( i != 0)). Para isto, em geral todos os processadores tem um circuito OR com as entradas ligadas a todos os bits de um dado. Neste caso, a saída desse OR só será 0 quando todos os bits do dado forem iguais a 0.
o Pode-se ter, ainda, circuitos comparadores (veja figura no nível da lógica digital) de dois dados indicando se os dados são iguais ou diferentes. A instrução que realiza essas operações tem 3 endereços. Porque? (Veja questão abaixo ou livro texto)
Instruções de Chamadas a Procedimento
o Um procedimento (sub-rotina, método ou função) pode ser definido como um grupo de instruções que realizam uma determinada tarefa e que podem ser chamadas (invocadas) a partir de diversas posições de um programa ( inclusive de outro procedimento ou do mesmo procedimento
o Essas instruções, além do código de operação, devem ter: um endereço do procedimento chamado e, também, um endereço de retorno , que será usado, quando a execução do procedimento chamado terminar, para retorno ao programa chamador.
o Os endereços de retorno são armazenados em um pilha, implementada na memória, que cresce ou diminui a medida que os procedimentos são chamados e retornam, respectivamente.
Controle de Loop
o Todos os esquemas de instruções para implementar um controle de loop baseiam-se em um contador que cresce ou decresce de uma constante, sempre que se completar uma passagem pelo loop
o Um dos métodos para implementação de um loop, ilustrado na figura 5.29 (a), consiste em: inicializar um contador externo e, depois disso, começar imediatamente a execução do código do loop (assim o loop é executado pelo menos uma vez) A última instrução do loop atualiza o contador e, se ainda não tiver sido alcançada a condição de término, desvia de volta para a primeira instrução do código do loop. Caso contrário, com a condição de término atingida, a execução do loop termina, sendo então executada a primeira instrução fora dos domínios do loop.
o Outra possibilidade, ilustrada pela figura 5.29 (b), consiste em realizar o teste antes do código do loop.
i = 1;
L1: primeiro comando do loop; . . . último comando do loop; i = i+1; if (i < n) goto L1;
(a)
i = 1; L1: if ( i < n ) goto L primeiro comando do loop; . . . último comando do loop; i = i+1; goto L1; L2:
(b)
Fig. 5.29 (a) Loop com teste de término no final do corpo das instruções. (b) Loop com teste de término no início do corpo das instruções
Entrada/Saída
o Atualmente existem 3 esquemas diferentes para a realização de operações de E/S em computadores pessoais:
- E/S programada com espera ocupada
mais simples de todos os métodos comumente implementada nos microprocessadores de baixa performance (sistemas embarcados ou em sistemas em tempo real)
Fig. 5.32 Sistema com um controlador DMA
Fluxo de Controle
o Entende-se por fluxo de contrôle a sequência na qual as instruções são dinamicamente executadas.
Fluxo Sequencial de Controle e Desvios
o A execução da maioria das instruções de uma máquina não altera o fluxo de controle.
o Em geral, o processador vai à memória para buscar a instrução armazenada no endereço seguinte àquela que acabou de ser executada.
o Neste caso registrador PC é acrescido do tamanho da instrução que acabou de ser executada. Assim o valor do PC é praticamente uma função linear do tempo, sendo incrementado pelo tamanho médio das instruções, no tempo médio de execução das instruções (Figura 5.37(a))
o Quando existem desvios, o valor do PC não é mais uma função monótona do tempo, como mostrado na Figura 5.37(b).
Fig 5.37 Variação do Program Counter em função do tempo (a) sem desvios e (b) com desvios.
o Quando existem muitos desvios, por exemplo com o uso de GOTO, o entendimento e a manutenção de um programa fica mais difícil. o A programação estruturada tem por base evitar esses desvios, pregando a substituição de desvios por formas mais estruturadas de controle de fluxo, como os loops while.
Procedimentos
o Uma chamada a procedimento altera o fluxo de controle exatamente do mesmo modo que um desvio.
o Mas, o procedimento, ao contrário do desvio, quando termina sua tarefa retorna o controle para o comando ou a instrução seguinte à instrução de chamada.
o Mais ainda, o corpo de um programa pode ser visualizado como uma instrução de nível mais alto.
o Um tipo especial de procedimento é o procedimento recursivo, um procedimento que chama a si próprio, de forma direta ou indireta, via uma cadeia de chamadas a outros procedimentos.
o Para implementar procedimentos recursivos precisamos de uma pilha para armazenar parâmetros e variáveis locais para cada chamada.
o Cada vez que o procedimento é chamado, um novo quadro de pilha é alocado para o procedimento, e esse quadro é colocado no topo da pilha.
o Nesse caso usa-se, além do apontador SP para o topo da pilha, um apontador de quadro FP, que aponta para um endereço fixo, dentro do quadro.
o A primeira coisa que um procedimento precisa fazer ao ser chamado é salvar o valor do FP anterior (de maneira a fazer com que ele possa ser recuperado ao término da execução do procedimento), copiar o conteúdo de SP em FP, e possivelmente incrementar o valor de SP
o A Figura 5.41 mostra o quadro de pilha para uma máquina com uma palavra de 32 bits
Fig 5.42 Quando um procedimento é chamado, sua execução sempre começa por sua primeira instrução.
o Uma outra configuração de fluxo é mostrado na figura 5.43, onde os procedimentos A e B, quando chamados, executam uma sequencia de instruções a partir da última instrução executada depois da chamada.
o Dois procedimentos que funcionam dessa maneira são chamados de co- rotinas. Nessa configuração os dois procedimentos simulam um processamento em paralelo executado em máquinas com 1 único processador.
Fig 5.43 Quando a execução de uma co-rotina é retomada, a instrução executada é sempre a seguinte à que foi executada quando da ativação anterior da co-rotina , e não a sua primeira instrução
Traps
o Um trap é uma espécie de chamada a procedimento automática iniciada sempre que ocorrer alguma condição específica causada pela execução de um programa.
o O Overflow é um bom exemplo de uma dessas condições. Quando há ocorrência de um trap o fluxo de controle é alterado para um endereço fixo de memória em vez de para a instrução seguinte.
o Nesse endereço fixo há uma instrução de desvio para um procedimento, conhecido como procedimento de tratamento do trap , que executa algumas ações convenientes, como, por exemplo, a impressão de uma mensagem de erro.
Interrupções
o As interrrupções são modificações no fluxo de controle de um programa causadas por um evento externo ao processamento do programa, usualmente eventos relacionados a operações de E/S.
o Como nos traps, as interrupções também param o processamento do programa atual e transferem o controle para uma rotina de tratamento de interrupção, que executa ações apropriadas.
o A diferença essencial entre um trap e uma interrupção é que os traps são síncronos e as interrupções assíncronas. Os traps acontecem síncronamente porque resultam da execução do próprio programa enquanto que as interrupções podem ser causadas por agentes externos (por exemplo o apertar de uma tecla do teclado).
