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1 Ciência da Computação Arq. e Org. de Computadores Máquinas Multiníveis Prof. Sergio Ribeiro Computador digital máquina que resolve problemas executando uma série de instruções. Programa conjunto de instruções que descrevem uma maneira de se executar tarefas. Circuitos eletrônicos executam um conjunto limitado de instruções muito simples (um programa deve ser convertido) 2 Em geral, essas instruções não são mais complicadas que: Somar dois números. Comparar um valor de um número com zero. Copiar um conjunto de dados de uma parte da memória para outra parte. 3 Simplicidade das instruções: Vantagem redução de custo e da complexidade da eletrônica. Desvantagem seu uso torna-se difícil e tedioso para nós. Conseqüência da desvantagem definição de uma maneira estruturada de se organizar os computadores. 4 Computadores tratados como uma série de abstrações. Cada abstração construída com base naquela situada imediatamente abaixo. Conseqüência disso complexidade pode ser dominada, e os sistemas de computador podem ser projetados de maneira sistemática e organizada. 5 Organização Estruturada de Computadores Há uma diferença muito grande entre aquilo que é conveniente para nós e aquilo que convém aos computadores. As pessoas desejam fazer X mas os computadores só podem fazer Y. Isto é um problema a ser resolvido. Solução do problema duas metodologias diferentes. 6 1

2 Ambas metodologias usam um novo conjunto de instruções mais conveniente para os usuários. Novas instruções nova linguagem L1 Instruções de máquina linguagem L0 As duas metodologias diferem na maneira como os programas escritos em L1 serão executados pelo processador (executa L0). 1ª metodologia substitui cada instrução em L1 por uma seqüência equivalente de instruções em L0. O processador executa o novo programa expresso em linguagem L0 em substituição ao primeiro escrito em L1. Essa técnica é conhecida como tradução ª metodologia consiste em escrever programas em L0 que admitam como entrada programas escritos em L1. Execução de programas em L1 conversão de instruções em L1 em uma seqüência de instruções em L0 seqüência esta executada antes do exame da próxima instrução escrita em L1. Esta técnica não requer a geração de um novo programa em L0. A técnica é conhecida como interpretação. Programa que a implementa interpretador. Técnicas de tradução e interpretação muito parecidas Semelhança em última análise as instruções em L1 são executadas por um conjunto equivalente de instruções em L0. Diferença: Na tradução programa em L1 primeiro é convertido em L0 L1 é descartado L0 é carregado na memória e executado é o programa em L0 que está rodando e controlando o computador. Na interpretação instrução em L1 é executada imediatamente após ter sido examinada e reconhecida pelo interpretador não há geração de programa algum o próprio interpretador controla o computador durante a execução para o interpretador, o programa em L1 é tratado como dado de entrada

3 Foi visto o conceito de tradutor e interpretador. Em vez de tradução ou interpretação, podese imaginar um computador hipotético (máquina virtual) com linguagem de máquina L1. Máquina virtual M1 Linguagem L1. Máquina virtual M0 Linguagem L0. 13 Para tornar a tradução ou a interpretação uma tarefa prática L1 e L0 não podem ser muito diferentes. Consequência apesar de L1 ser melhor que L0, ainda está distante do ideal. Solução inventar um outro conjunto de instruções mais próximo das pessoas e mais distante das máquinas. A idéia poderia prosseguir de forma indefinida. Normalmente se projetam máquinas com 6 níveis de abstração. 14 Máquina de Vários Níveis nível n Máquina virtual Mn com a linguagem de máquina Ln Programa em Ln interpretado por interpretador que rode em um nível abaixo, ou traduzido para Ln-1 Nível 5 Nível 4 Nível das linguagens de alto nível Tradução (compilador) Nível da linguagem do montador Tradução (montador) nível 1 nível 0 Máquina virtual M1 com a linguagem de máquina L1 Máquina virtual M0 com a linguagem de máquina L0 Programa em L1 interpretado por interpretador que rode em M0, ou traduzido para L0 Programa em L0 executado por circuitos eletrônicos Nível 3 Nível 2 Nível 1 Nível 0 Nível do sistema operacional Interpretação parcial Nível da arquitetura do conjunto de instruções Nível da microarquitetura Hardware Nível da lógica digital Interpretação (microprograma) Nível da lógica digital transistores componente analógico modelam portas lógicas diversas portas formam uma memória de 1 bit (armazena 0 ou 1) diversas memórias (ex: 32) formam registradores (de 32 bits) cada registrador pode guardar um único valor binário (até um valor máximo). Nível da microarquitetura 8 a 32 registradores formam uma memória local e um circuito chamado UAL (Unidade Aritmética e Lógica) realiza operações aritméticas muito simples. Registradores conectados à UAL formam o caminho de dados fluxo de dados

4 Operação básica do caminho de dados selecionar um ou dois registradores para que a UAL opere sobre eles (ex: somar dois conteúdos e por o resultado em registrador) Em alguns tipos de máquinas operação do caminho de dados é controlada por um programa microprograma. Em outros tipos de máquinas caminho de dados é controlado diretamente pelo hardware. Microprograma interpretador para a interpretação das instruções de nível 2 busca, decodifica e executa as instruções, uma a uma, usando o caminho de dados Em máquinas cujo caminho de dados é controlado por hardware mesma execução mas sem a existência de um interpretador para a interpretação das instruções de nível 2. Nível 2 nível da Arquitetura do Conjunto de Instruções (nível ISA Instruction Set Architecture). Descrição do conjunto das instruções de máquina descrição de como as instruções são executadas interpretativamente pelo microprograma, ou como elas são executadas diretamente pelo hardware Nível do sistema operacional nível híbrido maioria das instruções da sua linguagem também pertence ao nível ISA. Algumas instruções do nível 3 são interpretadas pelo sistema operacional e outras o são diretamente pelo microprograma ou pelo hardware daí chamar nível híbrido. Quanto à maneira de suportar os níveis mais altos: Níveis 2 e 3 sempre interpretados Níveis 4 e 5 suportados por tradução Quanto à natureza das linguagens: Níveis 1, 2 e 3 numérica Níveis 4 e 5 palavras e abreviações Nível 4 linguagem de montagem forma simbólica das linguagens de mais baixo nível

5 Programas em linguagem de montagem traduzidos para a linguagem dos níveis 1, 2 ou 3 e então interpretados pela máquina virtual apropriada. Programa que realiza a tradução montador. Linguagens do nível 5 usadas por programadores de aplicação resolver problemas. Linguagens do nível 5 são conhecidas como linguagem de alto nível. Há centenas dessas linguagens: C, C++, Pascal, Java, Fortran, LISP, Prolog, etc. Programas nessas linguagens traduzidas para os níveis 3 ou 4 por tradutores compiladores. Podem também ser interpretadas Resumindo computadores são projetados como uma série de níveis cada nível é construído em cima de seu precursor cada nível representa uma abstração com diferentes objetos e operações. Projetar e analisar computadores desta maneira ignora detalhes irrelevantes reduz a complexidade a algo simples de ser entendido. 27 5

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