Arquitetura de Computadores. Conjunto de Instruções

Transcrição

1 Arquitetura de Computadores Conjunto de Instruções

2 Arquitetura do Conjunto das Instruções ISA (Instruction Set Architecture) Traduz para uma linguagem intermediária (ISA) os vários programas em diversas linguagens de alto-nível; Hardware executa as instruções do nível ISA. Programa em FORTRAN 90 Programa C Software Hardware Nível ISA Hardware

3 Nível ISA - é a interface entre o software e o hardware Pode-se ter hardware que executa diretamente programas escritos em Alto Nível? Isso não é uma boa idéia. Porque? Metodologia empregada pelos Arquitetos de Sistemas Aceita-se programas em diversas linguagens de Alto Nível Traduz-se a linguagem para uma linguagem intermediária - o nível ISA Constrói-se um hardware, com ou sem microprogramação, que executa instruções do nível ISA

4 O que leva uma ISA ser boa? Deve definir um conjunto de instruções que pode ser implementados com eficiência em tecnologias atuais e futuras, resultando em projetos efetivos em custo por várias gerações. Deve fornecer um alvo dado para o código compilado, ou seja, ela tem de contemplar os projetista de hardware (fácil de implementação com eficiência) e o projetistas de software (fácil de gerar bom código para ela).

5 Visão Geral do Nível O nível ISA define o aspecto da máquina para um programador de linguagem de máquina Para gerar código para o nível ISA o projetista do compilador deve conhecer: o modelo de memória da máquina quais os registradores estão implementados os tipos de dados e de instruções disponíveis

6 Também afetam a performance e deve ser visível ao projetista do compilador: se a máquina é microprogramada ou não se é projetada ou não em pipeline superescalar ou não Para algumas arquiteturas não existe uma documentação formal de especificação Fabricante não quer clones de sua máquina.

7 Para algumas arquiteturas o nível ISA é especificado por um documento formal. permitindo que diferentes implementadores construam máquinas distintas, rodando o mesmo software (chips funcionalmente idênticos com diferenças em preço e performance) O documento formal contém: seções normativas: que impõem requisitos que devem ser atendidos na implementação seções informativas: que ajuda o leitor a entender os requisitos sem entrar na definição formal conjuntos de testes: conjunto de testes específicos para se verificar a implementação em relação a especificação formal

8 O documento com as definições deve informar: O modelo de memória adotado Quantos e quais registradores estão implementados O que cada instrução faz O itens a seguir fornecem mais detalhes sobre esses tópicos

9 Modelos de memória Atualmente as memórias são formadas por grupos de 4 bytes (32 bits) ou de 8 bytes (64 bits) As palavras de 4 ou 8 bytes podem estar alinhadas ou não alinhadas com as fronteiras naturais da memória. O acesso a memórias alinhadas são mais eficientes. Porque? A leitura de 1 endereço arbitrário requer um hardware mais sofisticado e é mais caro Mesmo quando alinhadas, os acessos a memória podem ser não alinhados. manutenção de compatibilidade com arquiteturas antigas (máquinas de 8 ou 16 bits)

10 Fig: Uma palavra de 8 bytes. (a) Alinhada (b) Não Alinhada. Algumas máquinas exigem que as palavras da memória sejam alinhadas.

11 Registradores Memórias rápidas usadas em execução de instruções dentro do processador (objetivo é minimizar os acessos às memórias externas ao processador) Todos os processadores tem um conjunto de registradores visíveis no nível ISA Em geral, os registradores visíveis no nível de microarquitetura, não são visíveis para o nível ISA

12 Registradores Classificação - registros podem ser divididos grosseiramente em 2 categorias Registradores de propósito específicos cumprem funções específicas (ponteiro de pilha ) alguns só são usados pelo processador Registradores de propósito geral usados para armazenar variáveis locais e resultados intermediários

13 Registradores Códigos de condição são modificados a cada ciclo de máquina e indicam o estado do resultado do processamento da ULA. Exemplos: N - Igual a 1 quando o resultado da ULA for negativo. Z - Igual a 1 quando o resultado da ULA for zero. V - Igual a 1 quando o resultado da ULA gerou um overflow. C - Igual a 1 quando o resultado da ULA gerou um Vai-um (carry) para o bit mais à esquerda. A - Igual a 1 quando o bit 3 do resultado da ULA gerou um carry Auxiliar. P - Igual a 1 quando o resultado da ULA apresentar paridade par. Códigos de condição são utilizados por instruções de comparaçãoe desvio condicional.

14 Instruções O conjunto de instruções controlam tudo o que a máquina pode fazer Tipos de instruções típicas: LOAD, STORE - realizam o movimento de dados e instruções entre memória e registradores MOVE - realizam cópia de valores entre registros ADD, SUB, MULT,... - realizam operações aritméticas AND, OR, XOR,... - realizam operações lógicas EQ, NEQ, LEQ,... - realizam operações de comparação GOTO - operação de desvio

15 Tipo de Dados Se existe suporte de hardware para um determinado tipo de dado usuário não pode manipular dado em formato particular diferente do especificado (implementado) Se não existe esse suporte usuário tem maior flexibilidade para trabalhar com tipos diferentes ou próprios

16 Tipos de Dados Numéricos Inteiros Comumente de 8, 16, 32 e 64 bits, com sinal e sem sinal Muitas vezes representados em complemento de 2 Exemplo: Para o caso de 32 bits sem sinal temos 2 32 valores inteiros Exemplo: Para o caso de 32 bits com sinal temos os 2 31 valores inteiros mais o sinal

17 Tipos de Dados Numéricos Ponto Flutuante Comumente de 32, 64 e 128 bits, com sinal e sem sinal Considera-se o sinal, a parte inteira e a parte decimal Podem existir registradores específicos para esses tipos de dados

18 Tipos de Dados não Numéricos Textos ou alfanuméricos Tipicamente usados em processadores de texto, planilhas e banco de dados Códigos mais usados atualmente: ASCII (8 bits) e UNICODE (16bits)

19 Exercícios 1.O que é o nível ISA e qual a sua importância no projeto de um computador de uso geral. 2.Explique as 3 seções que geralmente são colocadas num documento formal de especificação do nível ISA. 3.Cite e explique: (a) uma vantagem e uma desvantagem em se usar modelos de memória alinhados. (b) uma vantagem e uma desvantagem em se usar modelos de memória desalinhados. 4.Qual a importância da especificação dos registradores do computador no nível ISA. Explique a diferença entre registradores de propósito geral e registradores de propósito específico. 5.Qual a diferença ente tipos de dados textos, ou alfanuméricos, codificados em ASCII e UNICODE. Você acha que um tipo pode ser convertido no outro? Explique.