Execução detalhada de instruções

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1 MCC Arquitectura de Cmputadres 2004/2005 Execuçã detalhada de instruções Guiã-3 Albert Jsé Prença Objectiv geral Este dcument é guiã para api a funcinament da sessã teóric-prática da semana de 01-Nv- 04. É recmendável a sua leitura e estud antes dessa sessã labratrial. Objectiv cncret Rever e treinar as capacidades de visualizaçã de terminlgia e cnceits que descrevem funcinament de um sistema de cmputaçã na execuçã de códig. Para atingir estes bjectivs vai-se realizar um exercíci experimental cm estudantes-actres: usand 8 actres - "banc de regists", "ALU", "unidade de cntrl d CPU", "descdificadr de instruções", "memória", "barrament de endereçs", "barrament de dads", e "barrament de cntrl" - fazer a ilustraçã detalhada da execuçã de instruções em linguagem máquina (crp de uma funçã em C cmpilada para IA16) Caracterizaçã d prblema Pretende-se cm este exercíci analisar tds s passs da execuçã de instruções pr um prcessadr (um CPU semelhante a i8086, também little endian), desde a busca de cada uma das instruções à memória até à sua execuçã, passand pela sua descdificaçã. Os principais cmpnentes d cmputadr serã representads pr estudantes-actres, estand cada uma/um apenas na psse da infrmaçã que lhe é pertinente e durante temp que essa infrmaçã existe. Características d sistema de cmputaçã e funções a desempenhar pr cada estudante-actr: CPU, cnstituid pelas seguintes partes/actres: banc de regists, respnsável pel cnteúd ds 8 regists "genérics" d i8086 (ax, bx, cx, dx, si, di, bp, sp) e d instructin pinter (ip); n iníci d exercíci, s regists terã um cnteúd pré-definid (flha cm actr; cntém a lista de regists e respectiv cnteúd inicial, bem cm espaç para escrever s nvs valres ds regists); ALU, respnsável pr efectuar as perações aritméticas (sma/subtracçã) u lógicas (AND/OR/NOT) que lhe frem slicitadas, e sbre s perands que lhe frem dispnibilizads; n fim resultad necessita de ser armazenad algures; as perações sã feitas n quadr e apagadas após a sua cnclusã (a ALU nã tem capacidade de armazenar valres); unidade de cntrl, respnsável pr gerar tds s sinais que cntrlam as perações n exterir d CPU, e ainda pr dar tdas as instruções para crrect funcinament intern d CPU; a apiá-la/ terá a clabraçã de uma utra estrutura/actr ( descdificadr de instruções); descdificadr de instruções, cm capacidade para armazenar internamente até 4 bytes cm instruções em binári; a descdificaçã das instruções faz-se cm base em: (i) figura cm s frmats de instruções d i386, (ii) tabela cm códigs de peraçã das instruções mais usadas, e (iii) mapa da cdificaçã ds mds de endereçament d i386 (adiante); memória, respnsável pel cnteúd das 2 16 células de memória (flha cm actr; cntém cnteúd de células numa lista de endereçs previamente definids, bem cm espaç para escrever nvs valres em células que tenham sid mdificadas);

2 Guiã 3: Execuçã detalhada de instruções - 2 barraments de interligaçã entre CPU e a memória: barrament de endereçs, respnsável pr transprtar 16 bits de cada vez (em 2 flhas de papel, 1 em cada mã cntend um valr numéric de 8 bits), e apenas durante períd de temp em que esses valres estiverem activs n barrament; barrament de dads, respnsável pr transprtar 16 bits de cada vez (em 2 flhas de papel, 1 em cada mã cntend um valr numéric de 8 bits), e apenas durante períd de temp em que esses valres estiverem activs n barrament; barrament de cntrl, respnsável pr transprtar s sinais de cntrl que frem necessáris (neste exercíci apenas serã necessáris s sinais de RD e WR). Questã 1. (Para tentar fazer antes da aula) Os bits a transprtar ns barraments sã grandezas físicas, mais cncretamente, sinais eléctrics, em que valr "1" é representad pr uma diferença de ptencial de 5V e valr "0" pr 0V. Um barrament de 16 bits quants fis cndutres (eléctrics) necessita? Questã 2. (Para tentar fazer antes da aula) Cnsidere CPU a escrever um bit num barrament (pr ex., bit 5 de um endereç). Cnsidere CPU cntend uma pilha de 5V e um cmutadr/interruptr para escrever valr "0" u valr"1". Represente esquema eléctric da ligaçã d CPU a esse bit d barrament. Questã 3. (Para tentar fazer antes da aula) Cnsidere que (i) clck d prcessadr é de 2GHz, (ii) s circuits de memória estã a 12cm de distância d CPU, e (iii) s barraments sã de cbre (velcidade de prpagaçã da electricidade num circuit de cbre é de 80% da velcidade da luz). Calcule temp que um sinal eléctric demra a deslcar-se d CPU à memória e regressar, usand cm unidade de mediçã de temp períd de clck d CPU. Exercíci 1. Distribuir s papéis cm a infrmaçã pertinente a cada um ds actres, cnjuntamente cm várias flhas de papel para que CPU e a memória pssam escrever a infrmaçã que s barraments devem transprtar. Cnsiderand que CPU acabu de executar uma instruçã, e que estad d cmputadr é que está representad nas flhas distribuídas, simule cm actres a execuçã de instruções até a fim da 1ª instruçã de ret que encntrar. Exercíci 2. (Para fazer depis da aula) Tente recriar códig em C que deu rigem a esta funçã cmpilada. (Sugestã: dê uma vista de lhs pels acetats das aulas...) AJPrença /Out'04

3 Guiã 3: Execuçã detalhada de instruções - 3 Frmats de instruçã = 0 = 1 Opcde Mnemónica Cmentáris xx add xx: ver figura acima; yyy push yyy: identificaçã de regist, de acrd cm tabela acima yyy pp yyy: identificaçã de regist, de acrd cm tabela acima xx mv xx: ver figura acima; x lea xx: ver figura acima; ret AJPrença /Out'04

4 Guiã 3: Execuçã detalhada de instruções - 4 Banc de regists ax xxxx xxxx xxxx xxxx _0 0 0 c bx xxxx xxxx xxxx xxxx _f f e f cx xxxx xxxx xxxx xxxx _ dx xxxx xxxx xxxx xxxx _ si xxxx xxxx xxxx xxxx _ di xxxx xxxx xxxx xxxx _8 0 c 6 bp xxxx xxxx xxxx xxxx _8 4 1 c sp xxxx xxxx xxxx xxxx _ ip xxxx xxxx xxxx xxxx _ AJPrença /Out'04

5 Guiã 3: Execuçã detalhada de instruções - 5 Memória 0x _5 9 0x _ _8 9 0x _e _8 b 0x _ _0 6 0x _ _4 5 0x _ _8 9 0x404a _e c b _5 d 0x404c _c 3 d _8 d 0x404e _7 6 f _0 0 0x _ _1 f 0x _d _2 9 0x _ _4 0 0x _ _0 0 0x _e a _f f AJPrença /Out'04