Capítulo 4. MARIE (Machine Architecture Really Intuitive and Easy)

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1 Capítulo 4 João Lourenço Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa MARIE (Machine Architecture Really Intuitive and Easy) Adaptado dos transparentes das autoras do livro The Essentials of Computer Organization and Architecture

2 Objectivos Compreender como cada componente do computador contribui para a execução de um programa Compreender uma arquitectura simplificada, desenvolvida para ilustrar os conceitos básicos e como esta se relaciona com as arquitecturas reais Saber como um programa é convertido de assembly em código máquina 2

3 Arquitectura e Organização [1] Arquitectura de computadores: refere-se ao conjunto de atributos visíveis ao programador Conjunto de instruções, número de bits da palavra, técnicas de endereçamento Organização de computadores: refere-se à forma como os componentes estão implementados Sinais de controlo, interfaces, tecnologia de memória 3

4 Arquitectura e Organização [2] Partilha da arquitectura Todos os processadores da Intel da família x86 partilham a mesma arquitectura básica Os processadores da AMD partilham a arquitectura básica com os da Intel Facilita a compatibilidade de código Programas para o processador 8086 ainda funcionam em processadores Pentium e também funcionam em processadores AMD Todos os processadores têm uma organização diferente 4

5 Estrutura e Funcionamento Estrutura dos computadores: refere-se à forma como os componentes dos computadores se relacionam entre si O processador internamente é composto por várias unidades que cooperam para manipular devidamente a informação Funcionamento dos computadores: refere-se à operação individual dos componentes como parte da estrutura Modo de operação do controlador de memória 5

6 Funcionamento dos computadores O funcionamento dos computadores pode ser resumido como: Processamento de dados Repositório de dados Manipulação de dados Controlo 6

7 Perspectiva funcional Repositório de dados Sistema de manipulação de dados Sistema de controlo Processamento de dados 7

8 Operação [1] Movimentação de dados e.g., do teclado para o ecrã Repositório de dados Sistema de manipulação de dados Sistema de controlo Processamento de dados 8

9 Operação [2] Repositório de dados e.g., download para o disco Repositório de dados Sistema de manipulação de dados Sistema de controlo Processamento de dados 9

10 Operação [3] Processamento de/para repositório e.g., transferência bancária no mesmo banco Repositório de dados Sistema de manipulação de dados Sistema de controlo Processamento de dados 10

11 Operação [4] Processamento do repositório para saída e.g., impressão de uma foto Repositório de dados Sistema de manipulação de dados Sistema de controlo Processamento de dados 11

12 Estrutura Nível superior Periféricos Computador Computador Memória Central principal Processing Unit Unidade Main de processamento Memory central Elementos de Interconexão Entrada/saída Linhas de comunicação 12

13 Estrutura CPU CPU Computador Memória Central Unidade de Main principal Processing Unit processamento central Memory Computer Elementos de Interconexão Entrada/saída Central Registos Processing Unit Elementos de interconexão interna CPU Unidade Main de controlo Memory Unidade Lógico- Aitmética 13

14 Estrutura CPU Unidade de controlo CPU Registos Central Processing Unit Elementos de interconexão interna CPU Unidade Lógico- Aitmética Unidade Main de controlo Memory Central Sequenciação Processing Unit Elementos de interconexão da UC Registos Main de controlo Memory Controlo de memória 14

15 Arquitectura de um computador Arquitecura de von Neumann 15

16 O que é um microprocessador? É um circuito digital (essencialmente) síncrono É uma implementação de (equivalente a) um conjunto (muito complexo) de funções em Álgebra de Bool É um transformador de informação É um programa? Lembrar o princípio de equivalência entre o software e o hardware! 16

17 Os componentes de um CPU O microprocessador é composto por vários módulos 17

18 Introdução [1] A unidade de controlo é responsável por descodificar as instruções e sequenciar as operações necessárias para as executar A unidade de execução é responsável por executar as instruções 18

19 Introdução [2] A unidade lógico- -aritmética realiza operações lógicas e aritméticas de inteiros sobre os registos do processador A unidade de vírgula flutuante realiza operações aritméticas em vírgula flutuante 19

20 Introdução [3] Os registos do CPU são uma pequena unidade de memória extremamente rápida, onde o processador guarda informação variada Sobre o estado do próprio processador e.g., instruction pointer, instruction register, stack pointer, status register (flags), etc Sobre os dados que estão a ser manipulados pelo programa 20

21 Introdução [4] As memórias cache são memórias muito rápidas e que guardam temporariamente uma cópia parcial do conteúdo da RAM Como são muito rápidas, o processador está menos tempo à espera dos dados Caso os dados pretendidos não estejam na cache, há que esperar que sejam transferidos da RAM para a cache Normalmente há caches separadas para código e dados 21

22 Introdução [5] No caso de um bus multi-ponto, temos um meio partilhado Torna-se necessário garantir o acesso exclusivo através de protocolos de sincronismo, que são realizados em hardware Memória Controlado r terminal Controlado r de disco 22

23 Introdução [6] Todos os computadores contêm pelo menos um relógio que é responsável por sincronizar a actividade dos seus componentes Cada operação ou transferência de informação demora um número fixo de ciclos de relógio A frequência de relógio, medida em MHz (megahertz) ou GHz (gigahertz) determina a velocidade com que as operações são realizadas O período de um ciclo de relógio é o inverso da frequência. Um relógio a 800 MHz tem um ciclo de 1.25 ns. 23

24 Introdução [7] Um computador comunica com o seu exterior através de um sistema de entradas e saídas Estes periféricos podem ser ligados ao CPU através de: Um conjunto de instruções de E/S (I/O) Mapeamento na memória O periférico é acedido pelo CPU tal como se de memória se tratasse 24

25 Introdução [8] A memória de um computador corresponde a um conjunto de células identificadas com um número de série Cada célula contém (normalmente) um e um só byte Muitos dos processadores acedem às células individualmente (endereçamento ao byte) No entanto, em alguns casos, os processadores acedem apenas a grupos de células (endereçamento à word) Nestes casos o byte com menor endereço determina a localização da word 25

26 MARIE [1] O MARIE (Machine Architecture that is Really Intuitive and Easy) é um modelo simplificado de um computador Vamos usá-lo para ilustrar os conceitos básicos estudados Embora muito simples, a compreensão deste modelo facilita a compreensão de modelos mais complexos 26

27 MARIE [2] O MARIE apresenta as seguintes características: Representação de inteiros em complemento para dois Uma memória de 4K (endereçável por words) Words (células de memória) de 16 bits Instruções de 16 bits, 4 bits para o código da instrução e 12 para o endereço Uma ALU de 16 bits Sete registos para controlo e dados 27

28 MARIE [3] Arquitectura do MARIE 28

29 MARIE [4] Os sete registos são: AC, Accumulator, registo de 16 bits que serve para instruções condicionais (por ex: maior que) ou como operando numa instrução de dois operandos MAR, Memory address register, registo de 12 bits que contém um endereço de memória Este endereço pode apontar para uma instrução ou para um operando de uma instrução MBR, Memory buffer register, registo de 16 bits que serve para a transferência de dados de e para a memória 29

30 MARIE [5] Continuando PC, Program counter, registo de 12 bits que contém o endereço da próxima instrução a ser executada IR, Instruction register, contém a instrução a ser executada InREG, Input register, registo de 8 bits para armazenar informação lida de um periférico de input OutREG, Output register, registo de 8 bits para armazenar informação para ser enviada para um periférico de output 30

31 MARIE [6] O formato das instruções do MARIE As instruções fundamentais 31

32 MARIE [7] Exemplo de uma instrução de LOAD tal como esta irá aparecer no IR: Podemos ver que o código (opcode) da instrução é o 1 e endereço de memória de onde se deve ler os dados é 3 32

33 O que fazem os Assemblers? [1] Mnemónicas de instruções como LOAD 104, são fáceis de escrever e compreender pelos humanos Mas para os computadores são impossíveis de compreenderem (e executar) 33

34 O que fazem os Assemblers? [2] Os assemblers são responsáveis pela tradução das mnemónicas em instruções máquina De notar a diferença entre assemblers e compiladores Nos assemblers existe uma correspondência de um-para-um entre a mnemónicas e instruções (máquina) geradas Nos compiladores isto não acontece 34

35 MARIE: um programa simples Exemplo de um programa no MARIE As instruções estão em endereços representados em base 16, 100h-106h) 35

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