Microcontroladores e Interfaces

Transcrição

1 Microcontroladores e Interfaces 3º Ano Eng. Electrónica Industrial Carlos A. Silva 2º Semestre de 2004/ Aula A2 7 Mar 06 - M

2 Uma Retrospectiva sobre a Arquitectura de Computadores

3 Sistema Computorizado Diferentes Perspectivas Utilizador Programador em Linguagem Assembly Linguagem máquina Linguagem assembly 3

4 Sistema Computorizado Diferentes Perspectivas Utilizador Programador em Linguagem Assembly Linguagem máquina Linguagem assembly Arquitecto do Sistema Computorizado Projectista do Sistema Lógico 4

5 Arquitectura de Computadores Como posso definir a arquitectura de um computador? Arquitectura do computador := Arquitetura do conjunto de instruções + Organização na máquina 5

6 Arquitectura do Conjunto de Instruções (subconjunto da arquitectura do computador) O que é a arquitectura do conjunto de instruções? são...os atributos de um sistema [de computação] vistos na perspectiva do programador, ou seja, a estrutura conceptual e o comportamento, como distintos da organização do fluxo de dados e da lógica de controlo, e da implementação física... [Amdahl, Blaaw e Brooks, 1964] 6 Adaptado de Patterson@UCB

7 Arquitectura do Conjunto de Instruções (subconjunto da arquitectura do computador) Portanto ao falar da arquitectura do conjunto de instruções nos referimos a: Conjunto de instruções Formato das instruções Modos de endereçamento e de acesso aos dados Condições de excepção Organização do armazenamento interno de dados (register file) Tipo e comprimento dos dados: Representação 7 Adaptado de Patterson@UCB

8 Arquitectura de Computadores Nota Histórica: A série IBM 360 foi a primeira a fazer a distinção entre arquitectura e organização do hardware (1964). O mesmo conjunto de instruções foi usado para uma larga gama de implementações cada uma com uma relação custo/performance diferente. 8

9 Arquitectura do Conjunto de Instruções (subconjunto da arquitectura do computador) O conjunto de instruções apresenta-se como uma interface crítica Conjunto de Instruções 9 Adaptado de Patterson@UCB

10 Exemplos de Conjunto de Instruções Digital Alpha (v1, v3) HP PA-RISC (v1.1, v2.0) Sun Sparc (v8, v9) SGI MIPS (MIPS I, II, III, IV, V) Intel (8086,80286,80386, ,Pentium, MMX,...) 10 Adaptado de

11 Armazenamento Interno de Dados

12 Organização do Armazenamento Interno de Dados Classificação da Arquitectura do Conjunto de Instruções O tipo de armazenamento interno no CPU éa característica mais básica que distingue as arquitecturas do conjunto de instruções. Encontramos três tipos de armazenamento: Pilha Acumulador Conjunto de Registos 12

13 Os operandos podem ser nomeados explícita ou implicitamente: Numa arquitectura de pilha, os operandos estão implicitamente no topo da pilha. Numa arquitectura de acumulador, um operando está implicitamente no acumulador. Numa arquitectura de registos genéricos, apenas existem operandos explícitos registos ou localizações de memória. 13

14 Diagrama de blocos dos quatro tipos de arquitecturas para a operação soma As setas indicam se o operando é de entrada ou é o resultado da operação da ALU, ou se é ambas as coisas. A sombra mais clara indica uma entrada, enquanto a sombra mais escura indica um resultado. 14

15 A sequência de código abaixo realiza a operação C= A + B, para as quatro classes de arquitecturas Pilha Acumulador Registo (registomemória) Registo (load-store) push A load A load R1, A load R1, A push B add B add R3, R1, B load R2, B add store C store R3, C add R3, R1, R2 pop C store R3, C Nota: A operação adição tem operandos implícitos para as arquitecturas do tipo pilha e acumulador, e operandos explícitos para as arquitecturas do tipo registo. 15 É assumindo que A, B e C estão armazenados na memória e que os valores de A e B não devem ser destruídos.

16 Dependendo do tipo de arquitectura e da escolha de uma determinada instrução, os operandos explícitos podem ser acedidos directamente da memória ou têm que ser carregados em primeiro lugar para um armazenamento temporário Da tabela anterior, temos que existe duas classes de arquitectura de registos Arquitectura registo-memória: a memória pode ser acedida como parte de qualquer instrução Arquitectura registo-registo ( load-store ): a memória pode apenas ser acedida através das instruções load e store 16

17 Nota: Existe uma terceira classe de arquitectura: arquitectura memória-memória, onde todos os operandos são mantidos na memória; contudo esta arquitectura não é mais usada. Questões: 1. Porque a arquitectura memória-memória foi descontinuada? 2. Ao considerar as arquitecturas registo-registo e registo-memória, qual delas será mais rápida? 17

18 Embora as primeiras máquinas usassem arquitecturas de pilha ou acumulador, todas as máquinas projectadas após 1980 usam a arquitectura load-store. Porquê? 1. Os registos são mais rápidos do que memórias Quando as variáveis são armazenadas em registos, reduz-se o tráfico à memória 2. Registos são mais fáceis de usar pelo compilador e podem ser usados de forma mais eficiente do que outros tipos de armazenamento O uso de registos melhora a densidade de código São necessários menos bits para a identificação de um registo do que de um endereço de memória

19 Duas grandes características dividem as arquitecturas de registos genéricos, sendo que ambas referem-se aos operandos das operações da ALU: 1. Número de operandos que podem ser endereços de memória nas operações da ALU. 2. Número de operandos das operações na ALU: Formato 3-operandos: a instrução contém um operando para o resultado e dois operandos de entradas Formato 2-operandos: um dos operandos serve tanto de entrada como para resultado 19

20 Ambas arquitecturas apresentam vantagens e desvantagens. Estas desvantagens não são absolutas, mas qualitativas. O seu impacto dependerá do compilador e da estratégia de implementação. Compilador: A arquitectura memória-memória pode ser contornada pelo compilador que o tratará como sendo um computador com uma arquitectura registo-registo. Estratégia de implementação: O maior impacto da arquitectura será na codificação da instrução e no número de instruções necessárias para realizar uma tarefa. 20

21 Tipo Registo-Registo (0,3) Vantagem Instruções simples e codificação de comprimento fixo - Modelo de geração de código simples - Instruções com tempos de execução similares Desvantagem - Maior número de instruções do que arquitecturas com referências de memória nas instruções - Algumas instruções são tão pequenas que se desperdiça bit de codificação Registo-Memória (1,2) Memória-Memória (3,3) - Dados acedidos sem serem previamente carregados - Formato da instrução normalmente de fácil codificação e produz boa densidade de código - Operandos não são equivalentes, visto que um operando de entrada pode ser destruído numa operação binária - Codificar um número de registo e um endereço de memória em cada instrução pode restringir o número de registos - Tempo de execução das instruções varia com a localização do operando Na notação (m, n), o primeiro campo, m, indica o número de operandos de memória, enquanto o segundo campo, n, - Mais compacto - Grande variação na dimensão das instruções, especialmente para instruções 3-operandos. - Não desperdiça registos para indica armazenamentos o número temporários total - Grande de variação operandos de tarefas por instrução - Acessos de memória podem provocar engarrafamento de memória 21

22 Tipo Vantagem Desvantagem Registo-Registo (0,3) Instruções simples e codificação de comprimento fixo Modelo de geração de código simples Maior número de instruções do que arquitecturas com referências de memória nas instruções Algumas instruções são tão pequenas que se desperdiça bit de codificação Instruções com tempos de execução similares Registo-Memória (1,2) Dados acedidos sem serem previamente carregados Formato da instrução normalmente de fácil codificação, o que produz boa densidade de código Operandos não são equivalentes, visto que um operando de entrada pode ser destruído numa operação binária Codificar um número de registo e um endereço de memória em cada instrução pode restringir o número de registos Tempo de execução das instruções varia com a localização do operando Memória-Memória (3,3) Mais compacto Não desperdiça registos para armazenamentos temporários Grande variação na dimensão das instruções, especialmente para instruções 3- operandos. Grande variação de tarefas (microoperações) por instrução Acessos de memória podem provocar engarrafamento da memória 22

23 Número de posições de memória Número máximo de operandos Tipo de arquitectura Exemplos 0 3 registo-registo Alpha, ARM, MIPS, PowerPC, SPARC, SuperH, Trimedia TM registo-memória IBM 360/370, Intel 80x86, Motorola 68000, TI TMS320C54x 2 2 memória-memória VAX (também tem o formato 3- operandos) 3 3 memória-memória VAX (também tem o formato 2- operandos) Nota: Computadores que não tenham nenhuma referência a memória por instruções da ALU são chamados de load-store ou registo-registo. 23 Instruções com múltiplos operandos referentes à memória por instrução da ALU são chamados de registo-memória ou memória-memória, conforme tenham um ou mais operandos que sejam referências à memória.

24 Codificação do Conjunto de Instruções

25 O que entende por codificação da instrução e quais são os factores que a podem afectar? 1. Entende-se por codificação do conjunto de instrução como sendo a representação binária das instruções usada na execução das mesmas pelo CPU. A escolha das seguintes características afectam-na: Modos de endereçamento Operações presentes no conjunto de instruções Tipo e comprimento dos operandos 2. A representação binária escolhida, afecta não só a dimensão do programa compilado como também a implementação do CPU O CPU deve descodificar a representação binária de cada instrução o mais rápido possível de modo a saber qual a operação e quais os operandos 25

26 Como é que o tipo de operação e os modos de endereçamento são representados na representação binária de uma instrução? 1. Normalmente a operação é especificada num campo designado por opcode (código da operação) 2. A representação dos modos de endereçamento depende da gama dos modos de endereçamento e o grau de dependência entre os opcodes e estes modos a) Especificador de endereço por operando Para máquinas que apresentam um grande número de combinações, por exemplo, 1 a 5 operandos com 10 modos de endereçamento para cada operando b) Codificado como parte do opcode Para as máquinas load-store com apenas um operando de memória e apenas um ou dois modos de endereçamento 26

27 Como é que o projectista da arquitectura do conjunto de instrução deve proceder na escolha da melhor estratégia de codificação das instruções? Deve tentar equilibrar vários factores, tais como: 1. Ter o maior número de registos e modos de endereçamento possíveis. 2. O impacto do comprimento dos campos de registo e de modos de endereçamento sobre o comprimento médio das instruções e consequentemente sobre a dimensão média do programa 3. Ter instruções codificadas em comprimentos que podem ser facilmente manuseados pela implementação: a) O comprimento não deve ser arbitrário, mas sim em múltiplos de byte. b) Escolher instruções de comprimentos fixos que apesar de beneficiar a implementação pode sacrificar a dimensão média do programa. 27

28 Existem 3 estratégias de codificação das instruções: 1) Variável 1) Virtualmente permite que todas os modos de endereçamento se possam aplicar a qualquer operando da instrução 2) Aplica-se a arquitecturas com muitas operações e vários modos de endereçamento 2) Fixa 1) Combina a operação e o modo de endereçamento no opcode 2) Normalmente, todas as instruções têm o mesmo comprimento 3) Aplica-se a arquitecturas com poucos modos de endereçamento e poucas operações 3) Híbrida 1) Repare que o compromisso entre a codificação variável e fixa é a dimensão do programa versus facilidade de descodificação 2) Tenta reduzir a variação em dimensão e carga de trabalho da estratégia variável mas ao mesmo tempo fornecer instruções de comprimentos variados para reduzir a dimensão do programa 28

29 29

30 Arquitectura do Conjunto de Instruções do MIPS R3000 Tipos de Instruções Load / Store Computational Registos R0 - R31 Jump and Branch Floating Point coprocessor PC Memory Management HI Special LO Três formatos de instruções: todos com 32 bits OP OP OP rs rt rd sa funct rs rt immediate jump target 30 Adaptado de Patterson@UCB

31 Arquitectura do Conjunto de Instruções Como é a arquitectura do conjunto de Instruções do 8051? Exemplifique 31

32 Organização do Hardware (subconjunto da arquitectura do computador) 32 O que é a organização do hardware do ponto de vista da arquitectura de computador? As características de capacidade e de performance das principais unidades funcionais Pode dar exemplos de unidades funcionais? Por exemplo, registos, ALU, registos de deslocamento, unidades lógicas A forma como estes componentes estão interligados O fluxo de informação entre os componentes A forma e a lógica como este fluxo de informação é controlado A coordenação das unidades funcionais de modo a implementar a ISA A descrição a nível RTL (Register Transfer Level) Adaptado de Patterson@UCB

33 Organização do Hardware (subconjunto da arquitectura do computador) Desde 1964 todos os computadores são modelados em cinco componentes Pode ser subdividido Processador Unidade de Controlo Quais são os componentes??? Memória Entradas Caminho de Dados Saídas 33

34 Organização do Hardware (subconjunto da arquitectura do computador) Alguns autores classificam como sendo apenas três componentes Processador Unidade de Controlo Memória Entradas Pode ser agrupado Caminho de Dados Saídas 34

35 Organização do Hardware (subconjunto da arquitectura do computador) Proc COMPONENTES Chipset Caches Memory Busses Controllers adapters I/O Devices: Disks Displays Keyboards Networks 35 Adaptado de

36 Organização do Hardware (subconjunto da arquitectura do computador) Pentium III Chipset 36 Adaptado de

37 O que é então a Arquitectura de Computador? Aplicação Compilador Conj. Instruc. Sistema Operativo Firmware I/O system Arquitectura do Conjunto de Instruções Datapath & Control Digital Design Circuit Design Layout Coordenação de vários níveis de abstracção Sob a influência de um conjunto de forças que mudam rapidamente 37 Adaptado de Patterson@UCB

38 Forças que Influenciam a Arquitectura do Computador Aplicações Tecnologia Arquitectura de computador Linguagens de Programação (por ex., Java) Sistema Operativo História 38 Adaptado de Patterson@UCB

39 Aplicações e Linguagens de Programação CAD, CAM, CAE,... Lotus, DOS, Windows... Multimedia,... Web,... JAVA,...??? 39 Adaptado de Patterson@UCB

40 Tecnologias Capacidade dos Chips DRAM DRAM Year Size Kb Kb Mb Mb Mb Mb Mb Gb Densidade de Circuitos Lógicos num Microprocessador Por volta de 1985 surgiu o processador baseado num único integrado e apareceram as placas mães para estes processadores Desde então as estações de trabalho, computadores pessoais e os sistemas baseados em multiprocessadores tem fomentado o crescimento do desenvolvimento 40 Adaptado de Patterson@UCB

41 Tecnologias acarretam mudanças dramáticas Processador Capacidade lógica: cerca de 30% por ano relógio: cerca de 20% por ano Memória Capacidade da DRAM: cerca de 60% por ano (4x cada 3 anos) Velocidade da Memória: cerca 10% por ano Custo por bit: melhora cerca de 25% por ano Disco Capacidade: cerca de 60% por ano Nota: Estatísticas em Adaptado de Patterson@UCB