ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES I

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1 ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES I AULA 04: ASPECTO BÁSICO DO PROJETO DE UMA CPU SIMPLES E LINGUAGEM DE MONTAGEM Prof. Max Santana Rolemberg Farias max.santana@univasf.edu.br Colegiado de Engenharia de Computação

2 QUAIS OS COMPONENTES DE UMA CPU?

3 COMPONENTES DE UMA CPU

4 COMPONENTES BÁSICOS DE UMA CPU Barramento Unidade de Controle Banco de registradores Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Contador de Programa (PC) Processador Registrador de Instrução (IR) Memória

5 ARQUITETURA DE UMA CPU SIMPLES VISÃO ABSTRATA Clock Busca - Decodifica - Executa

6 DETALHE DO PROCESSADOR Controller (Unidade de controle) Responsável por controlar as operações do datapath. Datapath (Caminho de dados) Um conjunto de registradores Os registradores alimentam as duas entrada da ULA. A ULA A saída da ULA é conectada a um dos registradores. O barramento

7 DETALHAMENTO MEMÓRIA As memórias são endereçadas por byte (8 bits). Contudo as memórias são vistas como uma sequência de palavras de 32 bits. Por isso os endereços de palavras devem ser múltiplos de 4. Existem dois tipos de sistemas para numeração dos bytes dentro da memória: Big endian: Byte mais significante tem menor endereço da palavra. Little endian: Byte mais significante tem o maior endereço.

8 DETALHAMENTO MEMÓRIA BIG ENDIAN VS LITTLE ENDIAN Valor da palavra (hexadecimal): 6151CE94

9 O QUE MAIS É PRECISO PARA PROJETAR UMA CPU?

10 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES Definir o conjunto de registradores Poucos registradores (menos significa mais rápido). Mais de 32 registradores exigiria: Um ciclo de clock maior. Formato de instruções maiores, para comportar mais bits de endereçamento. Definir os tipos e os formatos das instruções Instruções de tamanho fixo. Poucos formatos de instruções. Mais de três operandos por instruções exigiria um projeto de hardware mais complicado Número reduzido de modo de endereçamento Definir o repertório de instruções Repertório de instruções limitados

11 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES REGISTRADORES Registradores Número Uso $zero 0 Valor constante igual a zero. $at 1 Assembler temporário. $v0 - $v1 2-3 Retorno de função. $a0 - $a3 4-7 Argumento de função. $t0 - $t Variáveis temporárias, que não precisam ser salvas. $s0 - $s Variáveis salvas por uma função chamada. $t8 - $t Mais variáveis temporárias. $k0 - $k Temporários para o sistema operacional $gp 28 Apontador global. $sp 29 Apontador de pilha. $fp 30 Apontador de quadro. $ra 31 Endereço de retorno.

12 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES INSTRUÇÕES: TIPOS E FORMATOS As instruções do programa assembly devem ser traduzidas em números binários para que a máquina as execute. Existem 3 tipos de instruções e formato (todos com 32 bits): Instruções de processamento: Lógicas e Aritméticas. Instruções de transferência de dados. Instruções de decisão e controle: Desvio de fluxo. Formato R Formato I Formato J

13 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES INSTRUÇÕES: FORMATO R (REGISTRADOR) OP é sempre zero para o formato R. RS é o registrador do primeiro operando de origem. RT é o registrador do segundo operando de origem. RD é o registrador que recebe o resultado da operação. SHAMT é a quantidade de deslocamento (shift amount). FUNCT especifica qual a operação a ser executada.

14 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES INSTRUÇÕES: FORMATO I (IMEDIATO) OP especifica qual operação a ser executada. RS é o registrador do operando de origem. RT é o registrador que recebe o resultado da operação. IMM é o endereço de memória ou constante numérica.

15 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES INSTRUÇÕES: FORMATO J (JUMP) OP especifica qual operação a ser executada. ADDR é o local da memória (endereço) a saltar, onde estão as próximas instruções a serem executadas.

16 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES REPERTÓRIO INSTRUÇÕES Instruções de processamento: Lógicas e aritméticas Instruções Descrição ADD RD RS RT RD <- RS + RT ADDI RT RS IMM RT <- RS + IMM SUB RD RS RT RD <- RS RT AND RD RS RT RD <- RS AND RT OR RD RS RT RD <- RS OR RT ORI RT RS IMM RT <- RS OR IMM XOR RD RS RT RD <- RS XOR RT SLL * RD RT SHAMT RT <- RT << SHAMT LUI RT IMM RT <- IMM << 16 * SLL de i bits é multiplicar por 2 i.

17 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES REPERTÓRIO INSTRUÇÕES Instruções de transferência de dados Instruções LW RT OFFSET(RS) SW RT OFFSET(RS) Descrição RT <- memória[offset + RS] memória[offset +RS] <- RT OFFSET é em bytes

18 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES REPERTÓRIO INSTRUÇÕES Instruções de decisão e controle: Desvio de fluxo Alteram o fluxo de controle do programa. Alteram a próxima instrução a ser executada. Instruções para salto condicional Branch on equal (BEQ). Branch on not equal (BNE). Set on less than (SLT). Set on less than immediate (SLTI). Instruções para salto incondicional Jump (J).

19 PROJETO DE UMA CPU SIMPLES REPERTÓRIO INSTRUÇÕES Instruções de decisão e controle: Desvio de fluxo Instruções Descrição BEQ RS RT OFFSET Desvia se RS igual RT BNE RS RT OFFSET Desvia se RS diferente de RT SLT RD RS RT RD <- (RS < RT)? 1 : 0 SLTI RT RS IMM RT <- (RS < IMM)? 1 : 0 J OFFSET Desvio para OFFSET.

20 COMO ESCREVER UM PROGRAMA PARA ESSA CPU SIMPLES?

21 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Sintaxe de instruções em assembly Label: Opcional, identifica o bloco do programa. Op-code: Instrução, identificado por um Mnemônico. Operandos: Registradores ou memória. Comentários: Opcional, tudo que vem depois de #.

22 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Adição As variáveis a, b e c estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0, $s1 e $s2. Linguagem de Alto Nível a = b + c; a = a + 4; b = a 12; Linguagem de Montagem add $s0 $s1 $s2 addi $s0 $s0 4 addi $s1 $s0-12

23 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Subtração As variáveis a, b e c estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0, $s1 e $s2. Linguagem de Alto Nível Linguagem de Montagem a = b - c; sub $s0 $s1 $s2

24 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Operações Aritméticas Complexas As variáveis a, b, c e d estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0, $s1, $s2 e $s3 Linguagem de Alto Nível a = b + c - d; Linguagem de Montagem sub $t0 $s2 $s3 # t0 = c d add $s0 $s1 $t0 # a = b + t0

25 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Tomada de decisão As variáveis f, g, h, i e j estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0, $s1, $s2, $s3 e $s4 if (i == j) f = g + h; f = f i; Linguagem de Alto Nível Linguagem de Montagem 0x bne $s3 $s4 0x x add $s0 $s1 $s2 0x sub $s0 $s0 $s3

26 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Tomada de decisão As variáveis f, g, h, i e j estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0, $s1, $s2, $s3 e $s4 if (i == j) f = g + h; else f = f i; Linguagem de Alto Nível Linguagem de Montagem 0x bne $s3 $s4 0x C 0x add $s0 $s1 $s2 0x j 0x x C sub $s0 $s0 $s3 0x

27 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Tomada de decisão As variáveis amount e fee estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0, e $s1 Linguagem de Alto Nível Linguagem de Montagem if (amount == 20) fee = 2; else if (amount == 50) fee = 3; else if (amount == 100) fee = 5; else fee = 0; 0x addi $t0 $zero 20 0x bne $s0 $t0 0x x add $s1 $zero 2 0x C j 0x x addi $t0 $zero 50 0x bne $s0 $t0 0x x add $s1 $zero 3 0x C j 0x x addi $t0 $zero 100 0x bne $s x x add $s1 $zero 5 0x C j 0x x add $s1 $zero $zero 0x

28 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Tomada de decisão As variáveis amount e fee estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0, e $s1 Linguagem de Alto Nível switch (amount) { case 20: fee = 2; break; case 50: fee = 3; break; case 100: fee = 5; break; default: fee = 0; } Linguagem de Montagem 0x addi $t0 $zero 20 # case 20 0x bne $s0 $t0 0x x addi $s1 $zero 2 # 0x C j 0x x addi $t0 $zero 50 #case 50 0x bne $s0 $t0 0x x addi $s1 $zero 3 # 0x C j 0x x addi $t0 $zero 100 #case 100 0x bne $s0 $t0 0x x addi $s1 $zero 5 # 0x C j 0x x add $s1 $zero $zero # 0x

29 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Repetição As variáveis pow e x estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0 e $s1 int pow = 1; int x = 0; Linguagem de Alto Nível while (pow!= 128) { pow = pow * 2; x = x + 1; } Linguagem de Montagem 0x addi $s0 $zero 1 #pow=1 0x addi $s1 $zero 0 #x=0 0x addi $t0 $zero 128 0x C beq $s0 $to 0x C 0x sll $s0 $s0 1 #pow=pow*2 0x addi $s1 $s1 1 #x=x+1 0x j 0x C 0x C...

30 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Repetição As variáveis i e sum estão armazenadas, respectivamente, nos registradores $s0 e $s1 Linguagem de Alto Nível int sum = 0; for (i = 0; i!= 10; i = i + 1) { sum = sum + i; } Linguagem de Montagem 0x add $s1 $zero $zero 0x addi $s0 $zero 0 0x addi $t0 $zero 10 0x C beq $s0 $to 0x C 0x add $s1 #s1 #s0 0x addi $s0 $s0 1 0x j 0x C 0x C...

31 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Array O endereço base do array é armazenado no registrador $s0. Linguagem de Alto Nível int array[5]; array[0] = array[0] * 8; array[1] = array[1] * 8; Linguagem de Montagem 0x lui $s0 0x1000 0x ori $s0 $s0 0x7000 #s0=0x x lw $t1 0($s0) #t1=array[0] 0x C sll $t1 $t1 3 #t1=t1*8 0x sw $t1 0($s0) #array[0]=t1 0x lw $t1 4($s0) #t1=array[1] 0x sll $t1 $t1 3 #t1=t1*8 0x C sw $t1 0($s0) #array[0]=t1

32 LINGUAGEM DE MONTAGEM ASSEMBLY Array O endereço base do array é armazenado em $s0 e a variável i em $s1. Linguagem de Alto Nível int i; int array[5]; for(i = 0; i < 1000; i = i + 1) array[i] = array[i] * 8; Linguagem de Montagem 0x lui $s0 0x23B8 0x ori $s0 $s0 0xF000 #s0=0x23b8f000 0x addi $s1 $zero 0 #i=0 0x C addi $t2 $zero 1000 #t2=1000 0x slt $t0 $s1 $t2 #i<1000 0x beq $t0 $zero 0x x sll $t0 $s1 2 #t0=i*4 (offset) 0x C add $t0 $t0 $s0 #endereço do array[i] 0x lw $t1 0($t0) #t1=array[i] 0x sll $t1 $t1 3 #t1=array[i]*8 0x sw $t1 0($t0) #array[i]=array[i]*8 0x C addi $s1 $s1 1 #i=i+1 0x j 0x x

33 COMO AS INSTRUÇÕES SÃO REPRESENTADA NA CPU?

34 REPRESENTAÇÃO DAS INSTRUÇÕES DO FORMATO REGISTRADOR (R) Assembly Opcode RS RT RD Shamt Funct Linguagem de Máquina add $s0 $s1 $s2 0x x0 0x (0x ) sub $s0 $s1 $s2 0x x0 0x (0x ) and $s3 $s1 $s2 0x x0 0x (0x ) or $t0 $t1 $t2 0x x0 0x (0x012A4025) xor $t0 $t1 $t2 0x x0 0x (0x012A4026) sll $s0 $s0 1 0x x1 0x (0x ) slt $t0 $s1 $t2 0x x0 0x2A (0x022A402A)

35 REPRESENTAÇÃO DAS INSTRUÇÕES DO FORMATO IMEDIATO (I) Assembly Opcode RS RT IMM Linguagem de Máquina addi $t0 $zero x x03E (0x ) ori $s0 $s0 0xF000 0xD xF (0x ) lui $s0 0x23B8 0xF 0 16 ox23b (0x3C108024) slti $t0 $t xA 9 8 ox03e (0x )

36 REPRESENTAÇÃO DAS INSTRUÇÕES DO FORMATO JUMP (J) Assembly Opcode IMM Linguagem de Máquina j 0x200C 0x2 0x200C (0x C)

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