NOTAS DE AULA Prof. Antonio Carlos Schneider Beck Filho (UFSM) Prof. Júlio Carlos Balzano de Mattos (UFPel) Arquitetura de Von Neumann

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1 Universidade Federal de Santa Maria NOTAS DE AULA Prof. Antonio Carlos Schneider Beck Filho (UFSM) Prof. Júlio Carlos Balzano de Mattos (UFPel) Arquitetura de Von Neumann O modelo (ou arquitetura) de von Neumann foi concebido a partir de 1946, quando John von Neumann e sua equipe desenvolveram um novo projeto de computador de programa armazenado. Projetado pela IAS (Princeton Institute for Advanced Studies), este computador foi largamente difundido, influenciando muitos projetos subsequentes de outras máquinas. Ainda hoje, a maior parte dos computadores é concebida tendo, como idéia fundamental, os princípios desta arquitetura. Suas principais características são: Possuir uma unidade de processamento central, para a execução de operações lógicas e aritméticas; Possuir uma unidade de controle, responsável por determinar o seqüenciamento das instruções a serem executadas por meio de sinais de controle; Instruções dos programas armazenadas de maneira seqüencial, facilitando a busca; Existência de registradores dedicados ao armazenamento dos operandos e dos resultados das operações; Unidade de armazenamento central, na qual são guardados programas e dados, de forma compartilhada; Existência de um único barramento do sistema, o qual deve ser usado de forma compartilhada para a transferência de dados e instruções entre os diversos blocos. Dentre todas as características supracitadas, as duas últimas resultam em restrições severas para a tentativa de aumento de desempenho de computadores baseados no modelo de von Neumann. Levando-se em conta que os tempos de execução das instruções que envolvem apenas operações internas na CPU são muito menores do que o tempo necessário para transferências entre a memória e CPU, o fato de instruções e dados utilizarem o mesmo caminho para serem transferidos da memória principal para a CPU limita a possibilidade de exploração do paralelismo entre operações. Este problema é comumente referido como gargalo do modelo de von Neumann. 1

2 Instruções As instruções de um computador são operações que devem ser executadas em uma seqüência pré-determinada. Estas instruções compõem um programa. Desta maneira, um programa é uma lista de instruções que especificam operações, operandos e a seqüência em que o processamento deve ocorrer. O processamento de dados executados em um computador pode ser alterado pela especificação de um novo programa com instruções diferentes ou pela especificação das mesmas instruções com diferentes dados. O bloco de controle é responsável por ler uma instrução da memória, decodificála e gerar uma ou mais micro-operações (que são os bits que controlam o bloco operativo). As instruções podem variar de um computador para outro. Processadores que seguem um determinado padrão e que utilizam o mesmo conjunto (ou subconjunto) de instruções sendo, de certa forma, compatíveis entre si, constituem uma família de processadores. O Conjunto de instruções suportadas por um determinado processador (ou família) é chamado de Instruction Set Architecture (conjunto de instruções da arquitetura), cuja sigla ISA é comumente utilizada. Uma instrução é representada por um conjunto de bits que instruem o processador a executar uma operação especifica. Este conjunto de bits é chamado de operation code (código da operação), geralmente chamada de opcode. O número de bits necessários para o opcode de uma instrução é a função do número total de operações no conjunto de instruções e da quantidade de operandos disponíveis. A operação de uma instrução deve ser executada utilizando os dados armazenados nos registradores do computador ou na memória. Uma instrução, além do mais, deve especificar não somente uma operação, mas também os registradores e palavras de memória em que os operandos são encontrados e onde o resultado deve ser armazenado. A linguagem binária em que as instruções são definidas e armazenadas na memória são referidas como linguagem de máquina (machine language). Uma linguagem simbólica que substitui os opcodes e endereços binários por nomes simbólicos e que fornece outras características de auxilio para o programador é referida como linguagem de montagem (assembly language). A estrutura lógica dos computadores é normalmente descrita em manuais de referência da linguagem de montagem. A habilidade de executar um programa da memória é a mais importante propriedade de um computador de uso geral. 2

3 Formatos das instruções O formato de instrução é geralmente representado por uma caixa retangular simbolizando as funções de cada bit da instrução, mostrando como eles seriam armazenados nas palavras de memória ou no registrador de controle. Os bits são divididos em grupos ou campos (fields). Cada campo é associado a um item específico, como a função a ser executada, um valor constante, ou o endereço do banco de registradores. A formatação e o conjunto de regras a serem seguidas por estes campos constituem no formato de uma instrução. Os campos típicos encontrados em um formato de instrução são: (a) campo do opcode (opcode field) que especifica a operação que deve ser realizada. (b) Campo de endereço (address field) que fornece ou o endereço de memória ou um endereço para selecionar um registrador. (c) campo de modo (mode filed) que especifica a maneira que o campo de endereço deve ser interpretado. O exemplo abaixo mostra três formatos de instruções. Suponha que o computador abaixo possua um banco de registradores com 8 registradores, R0 até R7. O formato de instrução (a) consiste em um opcode que especifica três ou menos registradores, conforme necessário. Um registrador é designado como destino e os outros dois registradores fonte como operandos. O formato de instrução (b) possui um opcode, dois campos para registradores e um operando. O operando é uma constante chamada de operando imediato, assim ele está imediatamente disponível na instrução. O formato de instrução (c) em contraste aos dois outros formatos, não altera nenhum conteúdo de registrador e memória. Ele afeta a ordem em que as instruções são buscadas na memória. A localização de uma instrução que deve ser buscada é determinada pelo programa counter (PC). 3

4 4

5 Ciclo básico de operação de um computador Para compreender os vários conceitos de endereçamento que serão apresentados a seguir, é necessário compreender o ciclo básico de operação de um computador. A CPU de um computador é projetada para executar cada instrução de um programa na seguinte seqüência de passos: 1. Buscar a instrução da memória para um registrador de controle; 2. Decodificar a instrução; 3. Localizar os operandos utilizados pela instrução; 4. Buscar os operandos da memória (se necessário); 5. Executar a operação nos registradores do processador; 6. Armazenar os resultados no lugar próprio; 7. Voltar ao passo 1 para buscar a próxima instrução. Como já apresentado anteriormente, existe um registrador no computador chamado program counter (PC) que fornece a seqüência das instruções do programa que está armazenado na memória. O PC armazena o endereço da próxima instrução que será executada e é incrementado por um cada vez que uma palavra dos programa é lida da memória. A decodificação concluída (passo 2) determina a operação que deve ser executada e o modo de endereçamento da instrução. Os operandos do passo 3 são localizados a partir do modo de endereçamento e dos campos de endereçamento da instrução. O computador executa a instrução, armazena o resultado, e retorna para o passo 1 para buscar a próxima instrução da seqüência. Conjunto de registradores O conjunto de registradores consiste em todos os registradores da CPU que podem ser acessados pelo programador. Estes registradores são tipicamente os mencionados nos manuais de referência da linguagem assembly. As CPUs podem também conter outros registradores, como o registrador de instruções, ou ainda outros registradores que são acessíveis somente internamente (o programador não pode, explicitamente, mudar seus valores). O conjunto de registradores é consideravelmente influenciado pela arquitetura do conjunto de instruções. 5

6 Endereçamento dos operandos Instruções de até 3 endereços O programa que avalia a expressão X = (A + B).(C + D) utilizando instruções de três endereços é mostrado abaixo: ADD T1, A, B ADD T2, C, D MUL X, T1, T2 M[T1] M[A] + M[B] M[T2] M[C] + M[D] M[X] M[T1] x M[T2] O símbolo M[A] denota um operando armazenado em memória no endereço simbolizado por A. O símbolo x designa uma multiplicação. T1 e T2 são temporários armazenados em memória. O mesmo programa pode utilizar registradores como temporários: ADD R1, A, B ADD R2, C, D MUL X, R1, R2 R1 M[A] + M[B] R2 M[C] + M[D] M[X] R1 x R2 A vantagem do formato de 3 endereços é que resulta em programas pequenos para avaliação de expressões. A desvantagem é que o código binário das instruções requer mais bits para especificar os três endereços, particularmente se eles são endereços de memória. Instruções de até 2 endereços Para instruções de 2 endereços, cada campo de endereçamento pode especificar também um possível registrador ou endereço de memória. O primeiro endereçamento de operando listado na instrução simbólica é o endereço implícito que o resultado da operação será transferido. MOVE T1, A ADD T1, B MOVE X, C ADD X, D MUL X, T1 M[T1] M[A] M[T1] M[T1] + M[B] M[X] M[C] M[X] M[X] + M[D] M[X] M[X] x M[T1] O registrador temporário R1 é disponível e pode ser trocado por T1. Note que este programa resulta em cinco instruções ao invés das três necessárias quando utilizada uma arquitetura com instruções de 3 endereços. 6

7 Instruções de 1 endereço Para executar instruções como ADD, o computador com um instruções de 1 endereço utiliza um endereço implícito um registrador chamado acumulador (accumulator) ACC para obter um dos operandos, assim como gravar o resultado. O programa para implementar a expressão aritmética anterior é a seguinte: LD A ADD B ST X LD C ADD D MUL X ST X ACC M[A] ACC ACC + M[B] M[X] ACC ACC M[C] ACC ACC + M[D] ACC ACC x M[X] M[X] ACC Todas as operações são feitas entre o registrador ACC e um operando da memória. Neste caso, o número de instruções aumenta para 7. Instruções de zero endereço Para executar uma instrução ADD com zero endereço, todos os três endereços da instrução devem estar implícitos. Uma maneira de implementação para atingir este objetivo é utilizar uma arquitetura baseada em stack (pilha). Na pilha, o último item armazenado é o primeiro a ser retirado. Devido a natureza de o último a entrar, primeiro a sair, a pilha é também chamada de LIFO (last in, first out). A palavra no topo da pilha é referida como TOS (top of stack). A palavra abaixo do topo da pilha é referida como TOP -1, e assim sucessivamente. Quando uma ou mais palavras são utilizadas como operandos para uma operação, elas tem de ser removidas da pilha. A palavra abaixo daquelas que foram consumidas passa então a ser o novo TOS. O resultado a ser gerado é colocado novamente na pilha, tornando-se, então, o novo TOS. Conseqüentemente, a pilha fornece um endereçamento implícito tanto dos seus operandos como do destino no qual o resultado será armazenado. Por exemplo, a instrução que especifica a instrução de adição é simplesmente ADD O resultado da ação, em linguagem de transferência de registradores é: TOS TOS + (TOS -1 ). Assim, não existem registradores ou endereçamento explícito de registradores durante a manipulação de dados na arquitetura de pilha. 7

8 O endereçamento de memória é utilizado nestas arquiteturas para transferência de dados. Por exemplo, a instrução: PUSH X Resulta em TOS M[X], a transferência da palavra do endereço X da memória para o topo da pilha. A correspondente operação POP X Resulta em M[X] TOS, a transferência da entrada do topo da pilha para o endereço X. O programa para implementar a mesma expressão aritmética anterior com instruções de zero endereço é o seguinte: PUSH A TOS M[A] PUSH B TOS M[B] ADD TOS TOS + TOS -1 PUSH C TOS M[C] PUSH D TOS M[D] ADD TOS TOS + TOS -1 MUL TOS TOS x TOS -1 POP X M[X] TOS O programa requer oito instruções. Contudo, este programa não utiliza locais de memória ou registradores para executar instruções de manipulação de dados. Outro efeito de utilizar tal notação é que geralmente o tamanho (em número de bits) das instruções é menor quando comparado a outras arquiteturas. 8

9 Arquiteturas de endereçamento Os programas apresentados mudam se a maneira como o endereçamento dos operandos é restringido, ou ainda se o endereçamento à memória é restrito apenas para instruções especificas. A seguir, estas variações serão demonstradas utilizando como base uma arquitetura de três endereços, como vista anteriormente. Todavia, elas podem ser aplicadas a quaisquer arquiteturas de 2 endereços. Arquitetura memory-to-memory Esta arquitetura possui apenas registradores de controle, como o PC (Program Counter). Todos os operandos vêem diretamente da memória, e todos os resultados são enviados diretamente para a memória. ADD T1, A, B ADD T2, C, D MUL X, T1, T2 M[T1] M[A] + M[B] M[T2] M[C] + M[D] M[X] M[T1] x M[T2] Neste caso, considerando a busca (fetch) das instruções, dos operandos e o armazenamento dos resultados, este programa requer 12 acessos a memória. A arquitetura memory-to-memory não é utilizada atualmente. Arquitetura register-to-register (load/store) Em contraste com a arquitetura anterior, a arquitetura register-to-register permite somente uma referência à memória por instrução e a restringe à dois tipos de instruções: de carga e armazenamento (load e store). Esta arquitetura requer uma boa quantidade de registradores, pois todas as manipulações de dados pelas instruções utilizam operandos em registradores. Esta arquitetura é utilizada em processadores da família MIPS, por exemplo. Com esta arquitetura, o programa para avaliar a expressão aritmética do exemplo é: LD R1, A LD R2, B ADD R3, R1, R2 LD R1, C LD R2, D ADD R1, R1, R2 MUL R1, R1, R3 ST X, R1 R1 M[A] R2 M[B] R3 R1 + R2 R1 M[C] R2 M[D] R1 R1 + R2 R1 R1 x R3 M[X] R1 9

10 Arquitetura register-to-memory É uma variação das duas arquiteturas anteriores, onde ambas referências (para memória e para registradores) podem ser utilizadas em uma mesma instrução. O tamanho do programa e o número de acessos a memória tende a ser intermediário entre as duas arquiteturas anteriores. Um exemplo de uma instrução de 2 endereços com um único endereço a memória permitido é: ADD R1, A R1 R1 + M[A] Este tipo de arquitetura é bastante encontrado em arquiteturas atuais, como na família X86. 10

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