Organização e Arquitetura de computadores

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1 Organização e Arquitetura de computadores Instruções: a linguagem de máquina Prof. Dr. Luciano José Senger Introdução Operações no hardware do computador Operandos do hardware do computador Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Introdução Para controlar o hardware do computador, é necessário falar a sua linguagem Palavras da linguagem do computador são chamadas de instruções = vocabulário échamado de conjunto de instruções Apresentação das instruções através de uma abordagem top-down Linguagens de computadores são semelhantes (entre diferentes arquiteturas), ao contrário da linguagem dos humanos Introdução É fácil ver, por métodos lógicos formais, que existem certos [conjuntos de instruções] que são adequados para controlar e causar a execução de qualquer seqüência de operações... As considerações decisivas, do ponto de vista atual, na seleção de um [conjunto de instruções], são mais de natureza prática: a simplicidade do equipamento exigido pelo [conjunto de instruções] e a clareza de sua aplicação para os problemas realmente importantes, junto com a velocidade com que tratam esses problemas Burks, Goldstine e von Neumann, 1947 Introdução Conjunto de instruções (a ponta do iceberg) Exemplo: MIPS ( Conjunto de instruções criados a partir da década de 1 milhões de processadores fabricados em 22 ATI, Broadcom, Cisco, NEC, Nintendo, Silicon Graphics, Sony, Texas Instruments e Toshiba Processador RISC (conjunto reduzido de instruções) Tamanho de instruções fixo(fixed instruction lengths) Instruções de load-store (load-store instruction sets) Modos de endereçamento limitado(limited addressing modes) Operações limitadas(limited operations) Introdução Arquiteturas de programa armazenado Control necessita 1. Instruções de entrada da memória 2. Sinaisparacontrolaro fluxode informação entre os componentesdo caminhode dados 3. Sequenciamento de instruções CPU Control Datapath Exec Memory Fetch Decode Devices Input Output Datapath tem componentes unidades funcionais e banco de registradores Interconexões-componentesquesãoconectadosde forma queas instruçõespossamser executadase osdados possamser trazidose armazenados na memória

2 Operações no hardware do computador Operandos do hardware do computador Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Operações do hardware do computador Todo computador precisa realizar operações aritméticas add a, b, c Instrui o computador para realizar a soma entre as variáveis be ce armazenar o resultado em a Exemplo: colocar a soma de b, c, d, eena variável a: Em linguagem de alto nível a = b + c + d + e Em Assembly MIPS: add a, b, c # soma b+c é colocada em a add a, a, d # soma b+c+d está em a add a, a, e # soma b+c+d+e está em a Operações do hardware do computador O número natural de operandospara uma operação de adição é três Exigir que cada instrução tenha exatamente três operações nem mais nem menos, estáde acordo com manter o hardware simples: o hardware para um número variável de operandosémais complicado do que o hardware para um número fixo: Princípio de projeto 1:simplicidade favorece a regularidade Operações do hardware do computador Contra-exemplo: IA-32 (p.e. Pentium) ADD AX,BX Compilando duas instruções de atribuição C no MIPS: a = b + c; d = a e; a tradução é realizada pelo compilador Em MIPS: add a, b, c sub d, a, e Operações no hardware do computador Compilando uma instrução complexa no MIPS f = (g + h) (i + j) O compilador precisa desmembrar essa instrução em várias instruções assembly, pois somente uma operação é realizada por instrução MIPS add t, g, h # var. temp. t contém g+h add t1, i, j # var. temp. t1 contém i+j sub f, t, t1 # f recebe t t1 Note que uma expressão na linguagem C gera 3 instruções assembly para o MIPS Reflexão:um número maior de instruções de máquina por expressão é melhor ou pior? Operandos do hardware do computador Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits

3 Operandos no hardware do computador Ao contrário dos programas nas linguagens de alto nível, os operandosdas instruções aritméticas são restritos, precisam ser de um grupo limitado de locais especiais, embutidos diretamente no hardware, chamados registradores(registers) Os registradores são os tijolos da construção do computador primitivas usadas no projeto do computador e são visíveis para o programador O tamanho dos registrados na arquitetura MIPS é 32 bits; grupos de 32 bits ocorrem com tanta freqüência no MIPS que recebem o nome de palavra (word) Operandos no hardware do computador $at $gp $sp $fp $ra Name $zero $v -$v1 $a -$a3 $t -$t7 $s -$s7 $t -$t9 Register Number reserved for assembler arguments Usage constant (hardware) returned values temporaries saved values temporaries global pointer stack pointer frame pointer return addr(hardware) Preserve on call? n.a. n.a. no yes no yes no yes yes yes yes Operandos no hardware do computador Uma diferença entre variáveis de um programa em linguagem de alto nível e os registradores éque o número de registradores é limitado O computador MIPS tem 32 registradores Princípio de projeto 2: menor significa mais rápido Uma quantidade muito grande de registradores pode aumentar o tempo do ciclo de clocksimplesmente porque os sinais eletrônicos levam mais tempo quando precisam atravessar uma distância maior Deve-se equilibrar o desejo dos programas por mais registradores com o desejo do projetista de manter o ciclo de clock mais rápido Um número maior de registradores necessita de um número maior de bits para representação: influência no tamanho da instrução Operandos no hardware do computador A convenção no MIPS éusar nomes com um sinal de $ seguido de dois caracteres para representar um registrador. $S, $S1, $T, $T1 Compilando uma atribuição em C usando registradores: f = (g + h) (i + j) add $t, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s, $t, $t1 Operandos no hardware do computador Operandos na memória Operações aritméticas sóocorrem com os registradores nas instruções MIPS; assim o MIPS deve ter instruções que transferem os dados entre o processador e a memória: instruções de transferência de dados Para acessar uma word na memória, énecessário passar o endereço de memória a ser utilizado Operandos no hardware do computador A instrução que copia dados da memória para um registrador tradicionalmente é chamada de load O formato da instrução loadéo nome da operação seguido pelo registrador a ser carregado, depois uma constante e o registrador usado para acessar a memória. A soma da parte constante da instrução com o conteúdo do segundo registrador forma o endereço de memória

4 Operandos no hardware do computador Compilando uma atribuição quando um operando está na memória Vamos supor que A seja uma sequênciade 1 wordse que o compilador tenha associado as variáveis g e h aos registradores $s1 e $s2. Vamos supor que o endereço inicial da seqüência esteja no endereço armazenado em $s3 (endereço base) g = h + A[]; embora haja uma única operação nessa instrução de atribuição, um dos operandosestána memória, de modo que precisamos transferir A[] para um registrador ($s3 contém elemento base) : lw $t, ($s3) #registrador temporário recebe A[] Operandos no hardware de computador Compilando uma atribuição quando um operando está na memória (cont.) A instrução seguinte (add) pode operar sobre o valor em $t, jáque éum registrador: lw $t, ($s3) add $s1, $s2, $t A constante na instrução échamada de offsete o registrador acrescentado para formar o endereço é chamado de registrador base Operandos no hardware do computador Interface hardware/software Além de associar variáveis a registradores, o compilador aloca estrutura de dados, como vetores, em locais na memória Como os bytes de bits são úteis em muitos programas, a maioria das arquiteturas endereça bytes individuais Endereços de wordscombinam os endereços dos 4 bytes dentro da palavra No MIPS, palavras precisam começar em endereços que sejam múltiplos de 4 Operandos no hardware do computador No MIPS, palavras precisam começar em endereços que sejam múltiplos de 4 (restrição de alinhamento) O endereçamento em bytes afeta o índice do array: para obter o endereço em bytes de maneira apropriada o offset necessita ser igual a 4x=32 A instrução complementar ao loadchama-se store; ela copia dados de um registrador para a memória A instrução storeérepresentada pelo mnemônico sw Operandosno no hardware do computador Compilando com load e store Suponha que a variável h esteja associada ao registrador $s2 e o endereço base do vetor Aesteja armazenado em $s3. Qual código assemblydo MIPS para a instrução de atribuição C a seguir? A[12] = h + A[] Embora seja uma instrução na linguagem C, dois operandosestão na memória; são necessárias instruções para buscar os dois operandos da memória: lw $t, 32($s3) # reg. temp. $t recebe A[] add $t, $s2, $t # reg. temp. $t recebe h + A[] sw $t, 4($s3) # armazena resultado em A[12] Operandos no hardware do computador Interface hardware/software Muitos programas têm mais variáveis do que os computadores têm registradores O compilador tenta manter as variáveis mais utilizadas nos registradores e coloca as restantes na memória, usando load e store para movimentar os dados O processo de colocar variáveis menos utilizadas na memória ou aquelas que só serão empregadas mais tarde é denominado spilling registers Registradores, apesar de serem mais reduzidos e terem um tamanho menor que a memória principal, são mais rápidos: isso define a preocupação com a utilização correta dos registradores Constantes ou operandos imediatos Muitas vezes, os valores que necessitam ser trabalhados são passados na instrução como constantes, e não como endereços de memória; quando os dados são passados dessa forma, como constantes, é utilizado o modo de endereçamento imediato

5 Operandos no hardware do computador Trabalhando com constantes Usando apenas instruções, teríamos de ler uma constante da memória para utilizá-la: lw $t, EndConstante4($s1) add $s3, $s3, $t Supondo que EndConstante4 seja o endereço de memória para a constante 4 Uma alternativa que evita a instrução load, e assim uma leitura em memória, éoferecer instruções aritméticas em que o operando seja uma constante Essa instrução (no caso de uma soma) échamada de add imediato, ou addi: addi $s3, $s3, 4 # $s3 = $s3 + 4 Operandos no hardware do computador Trabalhando com constantes (cont.) Princípio de projeto 3: agilize os casos mais comuns Os operandoscom constantes ocorrem com bastante freqüência e, incluindo constantes dentro das instruções aritméticas, as operações tornam-se mais rápidas para serem executadas Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Representando instruções no computador Embora quando programa-se em assembly utilizase mnemônicos (como lw, sw, adde sub), as instruções são representadas e executadas através de um conjunto de bits Além disso, como os registradores são parte de quase todas as instruções, épreciso haver uma convenção para mapear os nomes dos registradores em números binários $s a $s7 são mapeados nos registradores de 16 a 23; $t a $t7 são mapeados nos registradores de a 15; Exercício:qual éo código binário para o registrador $s7? Representando instruções no computador Traduzindo uma instrução assemblymips para uma instrução de máquina: add $t, $s1, $s Cada um desse segmentos de uma instrução échamado campo; o primeiro e o último campos combinados dizem ao computador MIPS que essa instrução realiza soma O segundo campoindica o número do registrador que éo primeiro operando de origem da operação de soma (17 = $t1) O terceiro campoindica o outro operando de origem (1 = $t2) O quarto campocontém o número do registrador que receberáo resultado ( = $s) O quinto camponão éempregado nessa instrução 32 Representando instruções no computador Esse layout da instrução échamado de formato de instrução As instruções no MIPS tem todas 32 bits de tamanho Os campos do MIPS op (6 bits) rs (5 bits) rt (5 bits) rd (5 bits) shamt (5 bits) Funct (6 bits) op: operação básica, tradicionalmente chamada de opcode rs: o registrador do primeiro operando de origem rt: o registrador do segundo operando de origem rd: o registrador do operando de destino shamt: shift amount; quantidade de deslocamento funct: função; esse campo seleciona a variante específica da operação no campo op, e as vezes, échamado de código de função

6 Representando instruções no computador Problemas de endereçamento Existe um problema quando uma instrução precisa de campos maiores do que aqueles mostrados. Por exemplo, a instrução lw precisa especificar dois registradores e uma constante; se o endereço tivesse apenas 5 bits do formato anterior, a constante estaria limitada a 32 (2^5) Existe então um conflito entre manter entre o desejo de manter todas as instruções com o mesmo tamanho e o desejo de ter uma instrução único Princípio de Projeto 4: um bom projeto exige bons compromissos O compromisso escolhido pelos projetistas do MIPS émanter todas as instruções com o mesmo tamanho, exigindo assim diferentes formatos para os campos para diferentes tipos de instruções O formato anterior échamado de tipo R(de registrador) ou formato R. Um segundo tipo de formato de instrução échamado de formato I, utilizando pelas instruções imediatas e de transferência de dados. Representando instruções no computador Formato I op (6 bits) rs (5 bits) rt (5 bits) Constante ou endereço (16 bits) O endereço de 16 bits significa que uma instrução lwpode carregar qualquer worddentro de uma região de +/-2^15 do endereço do registrador base (192 words) De modo semelhante, a soma imediata élimitada a constantes que não sejam maiores do que 2^15 lw $t, 32($s3) Aqui, 19(para $s3) écolocado no campo rs, (para $t) écolocado no campo rte 32écolocado no campo de endereço (veja que o formato mudou: o campo rtespecifica o registrador de destino, que recebe o resultado do lw Representando instruções no computador Traduzindo do assembly MIPS para a linguagem de máquina Se $t1 possui a base do arraya e $s2 corresponde a h: A[3] = h + A[3]; É compilada para: lw $t, 12($t1) # reg. $t recebe A[3] add $t, $s2, $t # reg. $t recebe h + A[3] sw $t, 12($t1) # armazena h +A[3] na mem. Representando instruções no computador A instrução lwérepresentada por 35 no opcode O registrador base 9 ($t1) éespecificado no segundo campo (rs) e o registrador de destino ($t) é especificado no terceiro campo (rt) O offset para selecionar A[3] (12=3x4) aparece no campo final A instrução addéespecificada com opcode e funct32 A instrução swéidentificada com 43 no opcode Importante: lembre-se que os valores estão representados em decimal, mas na verdade são representados em binário Representando instruções no computador Por que o MIPS não tem uma instrução de subtração imediata? Constantes negativas aparecem com muito menos frequênciaem C e Java, e por isso não são o caso comum e não merecem suporte especial Como o campo imediato mantém constantes negativas e positivas, a soma imediata de um valor negativo é igual a subtração imediata com um número positivo, de modo que a subtração imediata é supérflua Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits

7 Operações lógicasl Embora o projeto do primeiros computadores se concentrasse em words completas, logo ficou claro que é útil atuar sobre campos de bits de uma word Operações lógicas servem para empacotar e desempacotar grupos de bits em words Operações lógicas Shift a esquerda Shift a direita AND bit a bit OR bit a bit NOT bit a bit Operadores C << >> & ~ Operadores Java << >> & ~ Instruções MIPS sll srl and, andi or, ori nor Operações lógicasl Operações de deslocamento (shifts) Movem todos os bits de uma wordpara esquerda ou para direita, preenchendo com zero os bits que ficaram vazios Shift left logical: sll $t2, $s, 4 # reg $t2 = reg $s << 4 bits O campo da instrução MIPS chamado de shamt(shift amount) é usado nas instruções de deslocamento sslécodificada com zeros nos campos ope funct, rd contém $t2, rtcontém $s e shamtcontém 4 rsnão éutilizado. (op) (rs) 16 (rt) 1 (rd) 4 (shamt) (funct) Operações lógicasl Operações de deslocamento O deslocamento lógico àesquerda de i bits gera o mesmo resultado que multiplicar por 2^i Operações lógicas A operação AND éútil para isolar bits de uma palavra (operações com máscara) and $t, $t1, $t2 # $t = $t1 & $t2 Para colocar um bit em 1 em um grupo de bits, pode-se utilizar a operação OR or $t, $t1, $t2 # $t = $t1 $t2 Operações lógicasl Operações lógicas Os projetistas do MIPS decidiram incluir a instrução NOR no lugar de NOT: se um operando for zero, a instrução é equivalente a NOT: A NOR = NOT (A OR ) = NOT (A) nor $t, $t1, $t3 # $t = ~($t1 $t3) O MIPS oferece instruções lógicas para trabalhar com constantes (modo de endereçamento imediato) AND imediato (andi) OR imediato (ori) Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Instruções para tomada de decisões O que diferencia o computador de uma calculadora simples éa capacidade de tomar decisões Em linguagens de alto nível: if, else, goto Instruções de desvio condicional no MIPS Branchifequal(desvie se igual) beq registrador1, registrador2, L1 Essa instrução significa ir atéa instrução rotulada por L1se o valor no registrador1for igual ao valor no registrador2 O rótulo éalterado pelo compilador por endereços de memória

8 Instruções para tomada de decisões Instruções de desvio condicional no MIPS Branchifnotequal(desvie se não for igual) Bne registrador1, registrador2, L1 Significa desviar o fluxo de execução para o rótulo L1 caso os valores contidos nos registradores registrador1e registrador2 forem diferentes Compilando if-then-else em desvios condicionais No segmento de código a seguir f, g, h, i e j são variáveis. Se as cinco variáveis correspondem aos cinco registradores de $s a $s4, qual éo código compilado para esta instrução ifem C? if (i == j) f = g + h; else f = g h; Instruções para tomada de decisões bne $s3, $s4, Else add $s, $s1, $s2 j Exit Else: sub $s, $s1, $s2 Exit: A instrução j implementa o desvio incondicional (jump) Instruções para tomada de decisões Interface hardware/software Compiladores criam estruturas mais próximas a linguagem humana como while, do until, etc. Compilando um loopwhileem C While (save[i] == k) i+= 1; Suponha que i e kcorrespondam aos registradores $s3 e $s5 e base do vetor saveesteja em $s6. Qual o código em MIPS que corresponde a esse segmento C? Instruções para tomada de decisões While (save[i] == k) i+= 1; Suponha que i e k correspondam aos registradores $s3e $s5e base do vetor saveesteja em $s6. Qual o código em MIPS que corresponde a esse segmento C? loop: sll $t1, $s3, 2 # $t1 = 4 * i add $t1, $t1, $s6 # $t1 = endereço de save[i] lw $t, ($t1) #$t = save[i] bne $t, $s5, Exit # vá para Exit se save[i] <> k addi $s3, $s3, 1 # i += 1 j Loop Exit: Instruções para tomada de decisões Bloco básico Uma seqüência de instruções sem desvios (exceto, possivelmente no final) e sem destinos de desvio ou rótulos de desvio (exceto, possivelmente, no início Uma das primeiras fases da compilação édesmembrar o programa em blocos básicos Testes de igualdade em assembly MIPS Comparações são realizadas de forma que a instrução compara dois registradores e atribui 1 a um terceiro registrador se o primeiro for menor que o segundo; caso contrário, é atribuído Set onlessthan(atribuir se menor que) slt $t, $s3, $s4 Significa que éatribuído 1 ao registrador $tse o valor no registrador $s3 for menor que o valor no registrador $s4 Instruções para tomada de decisões Testes de igualdade em assembly MIPS Operadores constantes são populares nas comparações Como o registrador $zero sempre tem, pode-se comparar com zero; para comparar com outros valores, existe uma versão com endereçamento imediato da instrução slt: slti $t, $s2, 1 # $t =1 se $s2 < 1 Interface hardware/software Os compiladores MIPS utilizam as instruções slt, slti, beq, bnee o valor fixo para criar todas as condições relativas: igual, diferente, menor que, menor ou igual,maior que, maior ou igual Assim, as construções lógicas de linguagens de alto nível, como C e Java, são mapeadas em instruções assembly de desvio condicional

9 Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Arrays versus ponteiros Suporte para procedimentos Procedimentos ou funções construções das linguagens de programação que servem para estruturar programas, tornando-os mais fáceis de entender, depurar e reutilizar Seis etapas 1. Colocar parâmetros em um lugar onde o procedimento possa acessá-lo 2. Transferir o controle para o procedimento 3. Adquirir os recursos de armazenamento necessários para o procedimento 4. Realizar a tarefa desejada 5. Colocar o valor de retorno em um local onde o programa que o chamou possa acessá-lo 6. Retornar o controle para o ponto de origem, pois um procedimento pode ser chamado de vários pontos de um programa Suporte para procedimentos O software do MIPS utiliza a seguinte convenção na alocação de seus 32 registradores para chamada de procedimentos: $a -$a3: quatro registradores de argumento, para passar parâmetros; $v -$v1: dois registradores de valor, para valores de retorno $ra: um registrador de endereço de retorno, para retornar ao ponto de origem do programa que efetuou a chamada Além de alocar esses registradores, o assemblydo MIPS inclui uma instrução apenas para os procedimentos: ela desvia para um endereço e simultaneamente salva o endereço da instrução seguinte no registrador $ra (instrução jump-and-link) Suporte a procedimentos no hardware Instrução jump-and-link(jal) Jal EnderecoProcedimento O link éarmazenado no registrador $ra, denominado endereço de retorno Implícita na idéia de programa armazenado éa necessidade de ter um registrador para manter o endereço da instrução atual que está sendo executada, chamado de contador de programaou PC (program counter) A instrução jalsalva PC+4 no registrador $rapara o link com a instrução seguinte, a fim de preparar o retorno do procedimento Para apoiar tais situações, computadores como o MIPS utilizam uma instrução de jumpregister(jr), significando um desvio incondicional para o endereço especificado no registrador: Jr $ra Assim, o programa que chama o procedimento, coloca os valores de parâmetro em $a -$a3 e utiliza jalxpar desviar para o procedimento X. O procedimento X realiza as suas operações, coloca os resultados em $v -$v1 e retorna o controle para o callerusando jr$ra Suporte a procedimentos no hardware Usando mais registradores Suponha que um compilador precise de mais registradores para um procedimento do que os quatro disponíveis: utiliza-se a pilha (stack) Pilha Estrutura de dados fila em que o último que entra éo primeiro que sai Stackpointeréajustado em uma wordpara cada registrador salvo ou restaurado Push insere itens Pop remove itens O MIPS tem o registrador $sp, stackpointer, usado para salvar os registradores necessários pelo procedimento chamado As pilhas crescem de endereços maiores para menores Suporte a procedimentos no hardware Compilando um procedimento em C int exemplo_folha (int g, int h, int i, int j){ int f; f = ( g + h ) ( i + j ); Return f; } As variáveis de parâmetro g, h, i e j correspondem ao registradores de argumento $a -$a3 e f corresponde a $s exemplo_folha: addi $sp, $sp, -12 # ajusta a pilha (3 itens) sw $t1, ($sp) # salva registrador sw $t, 4($sp) # salva registrador sw $s, ($sp) # salva registrador

10 Suporte a procedimentos no hardware exemplo_folha: addi $sp, $sp, -12 # ajusta a pilha (3 itens) sw $t1, ($sp) # salva registrador sw $t, 4($sp) # salva registrador sw $s, ($sp) # salva registrador add $t, $a, $a1 # $t contém g+h add $t1, $a2, $a3 # $t1 contém i+j sub $s, $t, $t1 # f = (g+h) (i+j) add $v, $s, $zero # copia f para reg. de retorno Suporte a procedimentos no hardware Preparando o retorno exemplo_folha: addi $sp, $sp, -12 # ajusta a pilha (3 itens) sw $t1, ($sp) # salva registrador sw $t, 4($sp) # salva registrador sw $s, ($sp) # salva registrador add $t, $a, $a1 # $t contém g+h add $t1, $a2, $a3 # $t1 contém i+j sub $s, $t, $t1 # f = (g+h) (i+j) add $v, $s, $zero # copia f para reg. de retorno lw $s, ($sp) lw $t, 4($sp) lw St1, ($sp) addi $sp, $sp, 12 # exclui 3 itens da pilha jr $ra Suporte a procedimentos no hardware O software do MIPS separa 1 dos registradores em dois grupos (convenção) $t-$t9: 1 registradores temporários que não são preservados pelo procedimento chamado $s-$s7: registradores que precisam ser preservados em uma chamada (se forem usados, o procedimento chamado os salva e restaura) Procedimentos aninhados A solução éempilhar os valores dos registradores que vão ser utilizados Código que chama: empilha $a?, $t? Procedimento chamado: empilha $rae registradores usados por ele Resumo: sempre éinteressante empilhar registradores usados pelo procedimento Suporte a procedimentos no hardware int fact (int n){ if (n < 1) return(1); else return (n * fact(n-1)); } fact: addi $sp, $sp, - # ajusta pilha para 2 itens sw $ra, 4($sp) # salva endereço de retorno sw $a, ($sp) # salva o argumento n slti $t, $a, 1 # teste para n < 1 beq $t, $zero, L1 # se n>= 1, desvia para L1 addi $v, $zero, 1 # prepara o retorna 1 addi $sp, $sp, # retira dois itens da pilha jr $ra # retorna L1: addi $a,$a, -1 # argumento recebe n-1 jal fact # chama fact com n-1 lw $a, ($sp) # retorna de jal: restaura o arg. N lw $ra, 4($sp) # restaura o endereço de retorno addi $sp, $sp, # ajusta pilha para remover 2 itens mul $v, $a, $v # calcula n * fact(n-1) jr $ra # retorna para o procedimento que chamou Suporte a procedimentos no hardware Interface hardware/software Uma variável em C éum local na memória, e sua interpretação depende tanto do seu tipo quanto da classe de armazenamento A linguagem C possui duas classes de armazenamento: estáticas e automáticas As variáveis automáticas são locais a um procedimento e são descartadas quando o procedimento termina. As variáveis estáticas permanecem durante entradas e saídas de procedimento As variáveis C declaradas fora de procedimentos são consideradas estáticas, assim como as variáveis declaradas dentro de procedimento com a palavra reservada static Para simplificar o acesso aos dados estáticos, o software do MIPS reserva outro registrador, chamado de ponteiro global, e referenciado como $gp $gpéum ponteiroglobal quereferenciaa memóriaparafacilitaro acesso através de operações simples de load e store. Suporte a procedimentos no hardware Reservando espaço para novos dados na pilha A pilha também éutilizada para armazenar variáveis que são locais ao procedimento, que não cabem nos registradores, como arrays ou estruturas locais O segmento da pilha que contém todos os registradores salvos e as variáveis locais de um procedimento é chamado de frame de procedimento ou registro de ativação

11 Suporte a procedimentos no hardware Reservando espaço para novos dados no heap Além de variáveis que são locais ao procedimentos, programadores precisam de espaço para variáveis estáticas e para estrutura de dados dinâmicas O segmento de um arquivo-objeto Unix que contém o código em linguagem de máquina para as rotinas do arquivo-fonte Suporte a procedimentos no hardware Reservando espaço para novos dados no heap A forma de reservar memória permite que a pilha e o heapcresçam um em direção ao outro, permitindo o uso eficiente da memória enquanto os dois segmentos aumentam e diminuem A forma pela qual os endereços são usados são convenções do software e não fazem parte da arquitetura MIPS A linguagem C aloca e libera espaço no heapcom funções explícitas malloc(): aloca espaço no heap free(): libera espaço no heap Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Comunicando-se com as pessoas Representação de caracteres Código ASCII de bits Computadores necessitam de instruções que realizem a movimentação de grupos de bits de palavras lb $t, ($sp) Sb $t, ($sp) Caracteres são representados por conjuntos de strings, com geralmente três opções para representação: A primeira posição da string éreservada para indicar o tamnho de uma string; Uma variável acompanhante possui o tamanho da string(como uma estrutura); A última posição da stringéocupada por um caractere que serve para marcar o final da string ( \ na linguagem C; $ x6) Comunicando-se com as pessoas Compilando um procedimento de cópia de string para demonstrar o uso de stringsem C void strcpy(char x[], char y[]){ int i; i = ; } while ( (x[i] = y[i])!= \ ) i += 1; Considerando que os endereços base para os arraysx e y são encontrados em $a e $a1 strcpy: addi $sp, $sp, -4 sw $s, ($sp) add $s, $zero, $zero L1: Comunicando-se com as pessoas strcpy: addi $sp, $sp, -4 sw $s, ($sp) add $s, $zero, $zero L1: add $t1, $s, $a1 # endereço de y[i] em $t1 lb $t2, ($t1) # $t2 = y[i], como é um byte, não i * 4 add $t3, $s, $a # endereço de x[i] em $t3 sb $t2, ($t3) # x[i] = y[i] beq $t2, $zero, L2 # se y[i]==, vai para L2 addi $s, $s, 1 # i = i + 1 j L1 L2: lw $s, ($sp) addi $sp, $sp, 4 jr $ra

12 Comunicando-se com as pessoas Caracteres e stringsem Java Unicodeéuma codificação universal dos alfabetos da maior parte das linguagens humanas 16 bits para representar um caractere lh $t, ($sp) sh $t, ($sp) Ao contrário da linguagem C, Java reserva uma word para indicar o tamanho da string Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Endereçamento no MIPS para imediatos Endereçamento no MIPS para operandos imediatos e endereços de 32 bits Embora manter todas as instruções com 32 bits de tamanho seja interessante, em certas situações é conveniente ter uma constante de 32 bits ou endereços de 32 bits Embora as constantes na maioria das vezes sejam curtas e caibam em um campo de 16 bits, às vezes elas são maiores O conjunto de instruções MIPS inclui a instrução load upperimmediate(lui) especificamente para atribuir os 16 bits mais altos de uma constante a um registrador, permitindo que uma instrução subseqüente atribua os 16 bits mais baixos de uma constante Exemplo lui $t, 255 Endereçamento no MIPS para imediatos Carregando uma constante de 32 bits Qual éo código em assemblydo MIPS para carregar esta constante de 32 bits no registrador $s? lui $s, 61 ori $s, $s, 234 Endereçamento em desvios condicionais e jumps As instruções de jumpno MIPS possuem o endereçamento mais simples possível. Elas utilizam o último formato de instruções do MIPS, chamado de J, que consiste em 6 bits para o campo de operação e o restante dos bits para o campo de endereço Endereçamento MIPS para imediatos Desvios condicionais e jumps 26 bits são alocados para o campo de endereço (32 6) Em desvios condicionais, énecessário especificar dois operandosalém do endereço de desvio: 6 bits de opcode, 5 bits para registrador, 5 bits para registrador, 16 bits para endereço Se os endereços do programa tivessem que caber nesse campo de 16 bits, nenhum programa poderia ser maior que 2**16 Uma alternativa seria especificar um registrador que sempre seria somado ao endereço de desvio, de mode que uma instrução de desvio pudesse calcular o seguinte: Contador de programa = Registrador + endereço de desvio Endereçamento do MIPS para desvios Desvios condicionais Qual registrador usar? A resposta vem da observação de como os desvios condicionais são usados Os desvios condicionais são encontrados em loopse em instruções if,de modo que costumam desviar para uma instrução próxima. Por exemplo, cerca de metade de todos os desvios condicionais nos benchmarksspec2 vão para locais a menos de 16 instruções Como o contador de instruções contém o endereço da instrução atual, podemos desviar em +/-2**15 palavras da instrução atual se o usarmos o PC como registrador a ser somado ao endereço.

13 Endereçamento no MIPS para desvios Desvios condicionais Essa forma de endereçamento édenominada endereçamento relativo ao PC Como na maioria dos computadores atuais, o MIPS utiliza o endereçamento relativo ao PC para todos os desvios condicionais. Instruções JAL chamam procedimentos que não tem motivos para estarem próximas àinstrução atual: a arquitetura MIPS utiliza o formato longo (J) para instruções de chamada de procedimento Como todas as instruções tem tamanho de 4 bytes, o MIPS aumenta o alcance do endereçamento interpretando o campo de endereçamento relativo a word, e não ao byte: assim, o campo de 16 bits pode se desviar para uma distância quatro vezes maior; da mesma forma, o campo de 2 bits nas instruções de jump também endereçam words. Endereçamento de desvios no MIPS Exemplo Se considerarmos que o loopinicia na posição de memória, qual éo código de máquina para esse loop? loop: sll $t1, $s3, 2 # $t1 = 4 * i add $t1, $t1, $s6 # $t1 = endereço de save[i] lw $t, ($t1) #$t = save[i] bne $t, $s5, Exit # vá para Exit se save[i] <> k addi $s3, $s3, 1 # i += 1 j Loop Exit: Endereçamento de desvios no MIPS Endereçamento no MIPS Resumo dos modos de endereçamento Endereçamento de registrador: onde o operando éum registrador; Endereçamento de base e deslocamento: onde o operando estáno local de memória cujo endereço éa soma de um registrador e uma constante de instrução Endereçamento imediato: onde o operando éuma constante dentro da própria instrução Endereçamento relativo ao PC: onde o endereçamento é a soma do PC e uma constante na instrução Endereçamento pseudodireto: onde o endereço de jump são os 26 bits da instrução concatenados com os bits mais altos do PC Endereçamento no MIPS Interface hardware/software Embora as instruções estudadas tem 32 bits em tamanho, a arquitetura MIPS tem extensões de 64 bits, em resposta a necessidade de software para programas maiores Uma única instrução pode trabalhar com modos de endereçamento diferentes: Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits

14 Traduzindo e iniciando um programa Hierarquia de tradução para a linguagem C Um programa em alto nível éinicialmente compilado para um programa em assembly, e depois montado em um módulo objeto em linguagem de máquina. O link-editor combina os vários módulos com as rotinas de biblioteca para resolver todas as referências. O loader, então, coloca o código de máquina nos locais apropriados em memória, para ser executado pelo processador. Traduzindo e iniciando um programa Compilador O compilador transforma o programa C em um programa em assembly, uma forma simbólica daquilo que a máquina entende. Montador As arquiteturas aceitam a programação em pseudo-instruções e mnemônicos, que são convertidos em linguagem de máquina pelo montador O montador transforma o programa assemblyem um arquivo objeto, que éuma combinação de instruções em linguagem de máquina, dados e informações necessárias para colocar instruções na memória Para produzir a versão binária das instruções, precisa determinar os endereços de todos os rótulos - os montadores registram os rótulos utilizados nos desvios e nas instruções de transferência de dados por meio de uma tabela de símbolos, que contém pares de símbolo e endereço Traduzindo e iniciando um programa Arquivo objeto em sistemas UNIX Cabeçalho: descreve o tamanho e posições das outras partes do código Segmento de texto: código em linguagem de máquina Segmento de dados: contém os dados alocados por toda a vida do programa (dados estáticos) Informações de relocação: identificam instruções e wordsque dependem de endereços absolutos quando o programa é carregado na memória Tabela de símbolos: contém os rótulos restantes que não estão definidos, como referências externas Informações de depuração Traduzindo e iniciando um programa Linkeditor(link-edição) Colocar os módulos de código e dados simbolicamente na memória Determinar os endereços de rótulos de dados e instruções Remendar referências internas e externas O linkeditorproduz um arquivo executável, que tem o mesmo formato do arquivo objeto, exceto que não tem referências não resolvidas Linkedição estática x dinâmica Desvantagens da linkedição estática: Rotinas de biblioteca fazem parte do código e não podem ser atualizadas Carrega a biblioteca inteira, mesmo se parte da biblioteca nuncaseja chamada Desvantagens da linkedição dinâmica: Execução dos programas pode se tornar mais lenta Erros de execução em programas que necessitam de bibliotecas dinâmicas não existentes. Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Como os compiladores otimizam Compiladores Construídos considerando um conjunto de fases de otimização Otimização: espaço de armazenamento e velocidade de execução

15 Como os compiladores otimizam Compilador Afeta significantemente o desempenho dos programas Transformação de alto nível: procedimentos inline Loop unrolling desdobramento de loops for (i = ; i < 1; i++) g (); Depoisdo loop unrolling. for (i = ; i < 1; i += 2) { g (); g (); } Otimizações Otimizações locais atuam dentro de um bloco básico Otimizações globais atuam entre blocos básicos Alocação de registradores Como os compiladores otimizam Otimizações locais Eliminação de sub-expressões comuns x[i] = x[i] + 4 O cálculo do endereço de x[] ocorre duas vezes Outras otimizações Redução de força:substitui operações complexas por outras mais simples, por exemplo um mult por um deslocamento à esquerda Propagação de constante: encontram constantes no código e as propagam, encolhendo os valores de constante sempre que possível Propagação de cópia: propaga valores que são cópias simples, eliminando a necessidade de ler valores Eliminação de local de armazenamento: encontra locais com armazenamento não utilizados Eliminação de código morto: encontra fragmentos de código que nunca são utilizados código morto ocorre com bastante freqüência. Como os compiladores otimizam Otimizações globais Movimentação de código Encontra código que é invariante no loop; um trecho que código que calcula o mesmo valor, independente da iteração corrente do loop; Eliminação de variável de indução Éum combinação de transformações que reduz o trabalho na indexação de arrays Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits Exemplo de ordenação na linguagem C O procedimento swap void swap(int v[], int k){ int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } sll $t1, $a1, 2 # registrador $t1 = k * 4 add $t1, $a, $t1 # $t1 = v + (k*4) lw $t, ($t1) # $t = v[k] (temp) lw $t2, 4($t1) # $t2 = v[k+1]; sw $t2, ($t) # v[k] = registrador $t2 sw $t, 4($t1) # v[k+1] = registrador $t (temp) Exemplo de ordenação na linguagem C O procedimento swap completo swap: sll $t1, $a1, 2 # registrador $t1 = k * 4 add $t1, $a, $t1 # $t1 = v + (k*4) lw $t, ($t1) # $t = v[k] (temp) lw $t2, 4($t1) # $t2 = v[k+1]; sw $t2, ($t) # v[k] = registrador $t2 sw $t, 4($t1) # v[k+1] = registrador $t (temp) jr $ra

16 Exemplo de ordenação na linguagem C O procedimento sort void sort(int v[], int n){ int i, j; for(i=; i < n; i++){ for(j=i-1; j >= && v[j] > v[j+1]; j --){ swap(v,j); } } Alocação de registradores para sort Os dois parâmetros do procedimento sort, v e n, estão nos registradores de parâmetro $a e $a1, e alocamos o registrador $s a ie o registrador $1 a j Exemplo de ordenação na linguagem C Código para o procedimento sort(primeiro loop) loops são compostos de 3 partes: Inicialização das variáveis de controle Teste da condição de controle Incremento da variável de controle move $s, $zero #i= For1tst: slt $t, $s, $a1 beq $t, $zero, exit1... addi $s, S,1 j for1slt exit1 Exemplo de ordenação da linguagem C Código para o procedimento sort(segundo loop) for(j=i-1; j >= && v[j] > v[j+1]; j --) Teste de loopcomposto de duas partes: J >- V[j] > v[j+1] addi $s1, $1, -1 #j=i-1 For2tst: slti $t, $1, # $t = 1 se j < bne $t, $zero, exit2 sll $t1, $s1, 2 # $t1 = j * 4 add $t2, $a, $t1 # $t2 = v + (j+4) lw $t3, ($t2) # $t3 = v[j] lw $t4, 4($t2) # $t4 = v[j+1] slt $t, $t4, $t3 # $t $t4 >= $t3 beq $t, $zero, exit2... (corpo do for 2) add $1, $1, -1 # j -= 1 j for2tst exit2: Exemplo de ordenação em C Chamada de procedimento em sort swap(i,j) jal swap Passando parâmetros em sort Os procedimentos sort e swaputilizam como parâmetros os registradores $a, $a1 Énecessário então salvar os registradores em $s2 e $3 antes da chamada do procedimento (melhor que salvar na pilha) move $s2, $a move $s3, $a1 Depois passamos os parâmetros para swap da seguinte forma: move $a, $s2 move $a1, $s1 Exemplo de ordenação em C Preservando registradores em sort Deve-se salvar o endereço de retorno $ra(lembre-se que são loops aninhados) O procedimento sorttambém utiliza registradores salvos, de modo que precisam ser salvos addi $sp, $sp, -2 # 5 registradores sw $ra, 16($sp) # salva $ra na pilha sw $s3, 12($sp) # sala $s3 na pilha sw $s2, ($sp) sw $s1, 4($sp) sw $s, ($sp) Ao final do procedimento, os registradores devem ser restaurados na ordem inversa Representando instruções no computador Operações lógicas Instruções para tomada de decisões Suporte para procedimentos no hardware do computador Comunicando-se com as pessoas bits

17 Vida real: instruções do IA-32 Os projetistas Oferecem às vezes um conjunto de operações mais poderosas do que aquelas encontradas no MIPS O objetivo éreduzir o número de instruções executadas por um programa O perigo éque essa redução pode ocorrer ao custo da simplicidade, aumentando o tempo que um programa leva para executar, pois as instruções são mais lentas. Essa lentidão pode ser o resultado de um ciclo de clockmais lento ou a requisição de mais ciclos de clockdo que uma seqüência mais simples Vida real: instruções do IA-32 IA-32 Arquitetura que evoluiu ao longo do tempo, sendo produto de diferentes grupos independentes, que modificaram a arquitetura por 2 anos, acrescentando novos recursos ao conjunto de instruções original, como alguém poderia acrescentar roupas em uma mala pronta Marcos importantes: 197: Intel 6 extensão do assemblypara o ; arquitetura de 16 bits com registradores de 16 bits, com usos dedicados, ao contrário do MIPS, que tem registradores de propósito geral; endereçamento de memória com 2 bits 19: coprocessador7 anunciado; estende o conjunto original de instruções em 6 instruções de ponto flutuante 192: 26 com endereçamento de memória de 24 bits com um modelo de proteção de memória 195: 36, processador de 32 bits com novos modos de endereçamento e registradores de 32 bits : 46, Pentium, : instruções MMX nos processadores Pentium 1999: melhorias nas instruções SIMD e oito registradores adicionais; instruções SSE (Streaming SIMD extensions) 21: extensões com 144 instruções adicionais para lidar com operações multimídia, exploração da computação paralela nos chips 23: AMD anuncia extensões arquitetônicas para aumentar o espaço de endereçamento de memória de 32 para 64 bits, alargando os registradores para 64 bits Vida real: instruções do IA-32 Registradores e instruções Falácias e armadilhas Falácias Instruções mais poderosas significam maior desempenho Escreva em assemblypara ter melhor desempenho Armadilha Esquecer que os endereços seqüenciais de wordem máquinas com endereçamento em bytes não diferem em 1. Comentários finais Programa armazenado Permite a construção de máquinas de propósito geral A seleção de um conjunto de instruções que a máquina possa entender exige um equilíbrio delicado entre a quantidade de instruções necessárias para executar programas, a quantidade de ciclos de clockpor instrução e a velocidade do Princípios de projeto: Simplicidade favorece a regularidade: instruções de mesmo tamanho e se possível com o mesmo significado quanto aos operandos Menor émais rápido: o desejo de velocidade éo motivo para que o MIPS tenha apenas 32 registradores Torne os casos comuns mais velozes: alguns exemplos são os desvios em relação ao contador de programa e endereçamento imediato para constantes Um bom projeto exige bons compromissos: exemplo éo compromisso de manter todas as instruções com o mesmo tamanho frente à necessidade de representação de constantes que necessitam de mais bits para a representação Comentários finais Instruções MIPS Cada categoria de instruções MIPS estáassociada a construções que aparecem nas linguagens de programação Instruções aritméticas correspondem às operações encontradas nas instruções de atribuição Instruções de transferência de dados provavelmente ocorrerão quando se lida com estruturas de dados, como arrayse estruturas Os desvios condicionais são usados em instruções ife em loops Os jumpsincondicionais são usados em chamadas de procedimento e retornos, e para instruções case/switch

18 Leituras e exercícios cios Leituras Patterson, capítulo 2 Exercícios Patterson, capítulo 2