O Nível ISA. Modelo de programação Arquitecturas CISC e RISC Introdução ao IA-32 da Intel

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1 O Nível ISA Modelo de programação Arquitecturas CISC e RISC Introdução ao IA-32 da Intel

2 Nível ISA (Instruction Set Architecture) Tipos de dados Inteiros (1, 2, 4 ou 8 bytes) Servem também para representar endereços Números em vírgula flutuante (4, 8 ou 10 bytes) Não tem dados estruturados, como vectores Apenas dados reservados (alocados) continuamente em memória Operações Aritmética sobre dados em registos ou memória Transferir dados entre registos e memória Load carregar dados de memória para um registo Store guardar o conteúdo de um registo em memória Controlo do fluxo de execução Saltos condicionais e incondicionais Chamadas a subrotinas Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 74

3 Máquina virtual CPU Memória PC Registos Códigos de Condição (flags) Endereços Dados Instruções Código máquina do programa Dados do programa Dados do S.O. Pilha Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 75

4 Sincronizar os circuitos Os circuitos funcionam ao ritmo de um relógio: Marca com impulsos eléctricos o ritmo de funcionamento de todos os componentes (transições de estado) Marca quando os componentes podem interactuar Garante que os vários sinais (bits) são enviados e recebidos no instante devido Ex: um componente não lê o que está no BUS antes que algo válido lá tenha sido colocado O relógio gera um determinado número de impulsos por segundo: ciclos/segundo ou frequência (Hz) Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 76

5 Relógio vs velocidade do computador A frequência do relógio não é o único factor na velocidade de funcionamento de um computador! O tempo de execução de determinado programa depende de: Número de instruções (tamanho do programa) Tempo de execução de cada instrução (número de ciclos de relógio) Tempos de espera pela memória Tempos de espera pelas Entradas/Saídas Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 77

6 CPU Ordem de tempos de acesso cada instrução 1, 2, ciclos de relógio Memória cada acesso dezenas de ciclos Periféricos cada operação de Entrada/Saída (I/O) muitas dezenas, centenas, ou mais, de ciclos Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 78

7 Tempo de execução das instruções Um programa pode executar mais rápido se o CPU o executar em menos tempo: Tempo = nº de instruções x nº de ciclos x tempo programa instrução ciclo Menor Tempo se: Menos instruções o CPU implementa as mais variadas operações de que o programa necessita Instruções mais rápidas demoram menos ciclos e/ou cada ciclo pode ser mais curto (mais Hz) Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 79

8 Complexidade dos CPU A complexidade dos CPU é influenciada por: Tipos de instruções Número de operandos Tipos de operandos Modos de endereçamento dos operandos etc. O desempenho do CPU é influenciado por essa complexidade: Descodificação mais complexa (recurso a micro-código) Instruções de tamanho variável Resolução do endereço dos operandos e obtenção do seus valores mais complexa/demorada Mais complexidade mais circuitos CPU maior, mais lento, consumindo mais energia, etc Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 80

9 Até aos anos 70/80 A abordagem foi suportar directamente no hardware (no CPU): Os mais variados tipos de instruções que os programas podem necessitar As mais variadas operações aritméticas e lógicas Cada instrução suporta os mais variados operandos que o programa pode necessitar Registos, memória (com vários modos de endereçamento), A prioridade é reduzir o tamanho dos programas Claro que também se procura reduzir o tempo de execução de cada instrução Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 81

10 RISC vs CISC RISC Reduced Instruction Set Computer Nova abordagem (anos 70/80) no desenho dos CPU. Simplificar para conseguir melhor desempenho: Suportar um pequeno conjunto de instruções: as mais usadas Instruções de tamanho fixo: Fetch mais simples e eficiente Descodificação mais simples e eficiente Menos instruções a optimizar, a execução pode ser mais eficiente Usar espaço no CPU para mais registos e mais cache Permitir explorar mais optimizações A abordagem antiga passou a ser referida por CISC Complex Instruction Set Computer Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 82

11 Principais características CISC Muitas instruções Muitos modos de endereçamento Instruções demoradas Muitas acedem a memória Poucos registos RISC Poucas instruções Poucos modos de endereçamento Arquitecturas load/store Só as instruções load e store acedem a memória Muitos registos A menor complexidade do CPU abre a oportunidade para optimizações: diminuir o consumo de energia, optimizar a execução (ex: pipelines), etc. Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 83

12 Exemplo nas duas abordagens Computar: C = A + B CISC: load R1, [A] add R1, [B] store [C], R1 ou mesmo: add [C], [A], [B] RISC: load R1, [A] load R2, [B] add R1, R2 store [C], R1 Qual será mais eficiente? RISC se cada instrução demorar menos tempo!! Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 84

13 Exemplo de arquitectura RISC Família SPARC/UltraSPARC da SUN (usado em workstations e servidores) MIPS (usado em sistemas embebidos e consolas) PowerPC da Apple, IBM e Motorola (usado nos Macs até 2006) Exemplo de um conjunto de instruções: SPARC Format a Todas DEST têm o OPCODE mesmo tamanho SRC1 0 FP-OP SRC2 1b DEST OPCODE SRC1 1 IMMEDIATE CONSTANT 3 Register Immediate DEST OP IMMEDIATE CONSTANT SETHI A COND OP PC-RELATIVE DISPLACEMENT BRANCH PC-RELATIVE DISPLACEMENT CALL Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 85

14 Exemplo de arquitectura CISC IA-32 da Intel O conjunto de instruções é complexo Assim como a sua representação em código máquina Exemplo: Pentium II Bytes 0-5 PREFIX OPCODE MODE SIB DISPLACMENT IMMEDIATE Bits Bits INSTRUCTION SCALE INDEX BASE Which operand is source? Byte/word Bits MOD REC R/M Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 86

15 RISC vs CISC Na realidade a fronteira entre estas duas filosofias é cada vez mais ténue Arquitecturas CISC convertem o seu código em microoperações RISC Arquitecturas RISC actuais têm quase tantas instruções quando as CISC Porque é que ainda são denominadas de RISC? A diferença está essencialmente no desenho do CPU Como iremos ver nas próximas aulas existem diferenças ao nível do suporte para modos de endereçamento, teste de condições, subrotinas, etc. Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 87

16 Que ISAs vamos estudar em AC? Em AC vamos trabalhar maioritariamente sobre o ISA IA-32 da Intel Este ISA que manipula endereços e dados de 32 bits foi a base das arquitecturas Intel e compatíveis desde 1986 até meados nos anos 2000 Mesmo agora os ISA de 64 bits (Intel64 ou AMD x86-64) usados nas arquitecturas mais recentes são uma expansão do IA-32 Apesar de incidirmos essencialmente sobre o IA-32 também falaremos de arquitecturas RISC sempre que seja pertinente Por fim dedicaremos algumas aulas ao Java bytecode e à JVM Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 88

17 Intel e os circuitos integrados (CI) Intel- (Integrated Electronics Corporation) Fundada em 1968 por funcionários vindos da Fairchild Semiconductor Na origem (com a Texas Instruments) dos circuitos integrados (microchip) Micro-processador Um único circuito integrado contendo todas as funcionalidades da unidade central de processamento (CPU) do computador Intel 4004 microprocessador de 4bits para calculadoras Nota: Já existiam processadores e computadores! Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 89

18 O caso dos µ-processadores Intel Cada nova geração aumentou a dimensão dos dados e de endereçamento bits de dados /16bits de endereços 8086/ bits (8 no 8088)/20bits (usados nos 1ºs IBM/PC) bits/20bits (não usado nos IBM/PC) bits/24bits (usado no IBM/AT) bits/32bits (usado no IBM/PS2) 80486, Pentium (P5), Pentium Pro (P6), Core, Core 2, Core i7 64bits/48bits (também usado nos Pentiums mais recentes) Existe compatibilidade com os anteriores Continuam a existir instruções com dados de 8bits no 80386, Pentium, Core duo, e todos os outros Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 90

19 Observação ( Lei ) de Moore A densidade dos componentes nos CI duplica a cada 2 anos A mesma lei tem sido extrapolada para: Velocidade dos CPU Capacidade das memórias e discos (não para as suas velocidades!) Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 91

20 O resultado desta evolução Arquitecturas muito complexas e difíceis de compreender e programar Os programadores (e os compiladores) refugiam-se num subconjunto do ISA Instruções de tamanho variável (de 1 a 18? bytes ) Internamente, existe uma tradução para microcódigo, mais simples Este é realmente executado pelo CPU Extensão do IA-32 para 64 bits: AMD com AMD64 (Intel com Intel64 (antigo EM64T)) Não confundir com IA-64, uma arquitectura diferente que não suporta código legado. Processadores da família Itanium Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 92

21 Medidas de capacidade duma arquitectura O número de bits do endereço determina a capacidade máxima de memória endereçável O número de linhas no bus de endereços determina a capacidade máxima de memória realmente acessível O número de bits dos registos gerais determina o tamanho máximo dos dados operados pelas instruções O número de linhas no bus de dados determina a capacidade máxima de transferência dos dados em cada acesso à memória Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 93

22 Exemplo do PC com Intel 8086 Processador usado nos primeiros IBM PC CPU com 16 bits de dados e de endereços, com bus de 20 bits para endereços e 16 bits para dados: Dimensão dos registos de endereços, registos de dados e número de linhas no BUS de dados: 16 Dimensão do MAR, bus de endereços: 20 Endereça até 1M (2 20 ) de células de memória Transfere e opera até 2 Bytes de cada vez Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 94

23 Diagrama do 8086 Registos de dados ALU Registos de endereços IP ou PC BUS do sistema Fila de 6 bytes como IR Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 95

24 Exemplo Intel IA-32 no PC CPU com 32 bits de dados e de endereços, com BUS de 32 bits: Dimensão dos IP, MAR, registos de dados, número de linhas no BUS de dados e no de endereços: 32 Endereça até 4G de células de memória Transfere e opera até 4bytes de cada vez Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 96

25 Exemplo AMD64/Intel 64 no PC CPU com registos e BUS de 64bits para dados e de 48bits para endereços: Dimensão dos IP, registos de dados, número de linhas no BUS de dados: 64 MAR e bus de endereços: 48 (actualmente) poderá ir até 64 Endereça até 256T (Tera = 2 40 ) de células de memória. Poderá ir até 16E (Exa = 2 60 ) Transfere e opera até 8bytes de cada vez Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 97

26 Registos gerais no IA-32: Registos do IA-32 No assembly: EAX, EBX, ECX, EDX EAX (32bits) Continuam a existir instruções com dados de 16 e 8bits, com os mesmos códigos do 8086 Registo de Flags ou estado: AH (8bits) AL (8bits) AX (16bits) Reporta várias situações que podem ser testadas com instruções específicas (Overflow, Carry, etc ) Registos especiais: EIP (instruction pointer ou program counter), ESP, etc Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 98

27 Registos do IA-32 eax ebx ecx edx eip esp ebp eflags 32 bits 16 bits H L ax bx cx dx ip sp bp 8 bits flags Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 99

28 Mover dados Tipo de instruções do IA-32 Entre registos Memória-registo (Load) e registo-memória (Store) Aritmética sobre inteiros Aritmética sobre vírgula flutuante Saltos condicionais e incondicionais Manipulação de subrotinas Entradas/Saídas Instruções vectoriais Arquitectura de Computadores (2008/2009): O Nível ISA 100

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