William Stallings Computer Organization and Architecture

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1 William Stallings Computer Organization and Architecture Capítulo 3 Como o Processador Funciona Arquitetura von Neumann Como discutido anteriormente, os projetos dos computadores modernos são baseados na Arquitetura de von Neumann. A Arquitetura von Neumann se fundamenta em três conceitos chaves: Dados e Instruções são armazenados em uma única memória de leitura-escrita. Os conteúdos da memória são endereçados por posição, sem considerar o tipo de dados armazenado. A execução ocorre em modo seqüencial. 2

2 Conceito de Programação Sistemas em hardware são inflexíveis Hardwares de propósito geral podem realizar tarefas distintas, fornecendo sinais de controle corretos Em vez de re-instalar, forneça um novo conjunto de sinais de controle. 3 Abordagens de Hardware e Software Hardware dedicado Dados Seqüência de funções Lógicas e Aritméticas Resultados Código de instruções Programando em Hardware Interpretador de instruções Sinais de controle Dados Funções Lógicas e aritméticas de propósito geral Resultados Programando em Software 4

3 O que é um programa? Uma sequência de passos Em cada passo, uma operação lógica ou aritmética é realizada Em cada operação, um conjunto diferente de sinais de controle são necessários 5 Função da Unidade de Controle Para cada operação é provido um código único ex. ADD, MOV Um módulo de hardware interpreta o código e fornece os sinais de controle Assim, temos um computador! 6

4 Componentes Básicos de um Computador A Unidade de Controle e a Unidade Lógica e Aritmética constituem a Unidade Central de Processamento (CPU) Dados e instruções precisam entrar no sistema e os resultados, sairem Via mecanismos de Entrada/Saída Armazenagem temporária do código e resultados se faz necessária Memória principal 7 Componentes do Computador : Top Level View 8

5 Ciclo de Execução de Instruções Cilco de dois estágios: Busca (fetch) Executa 9 Ciclo de Busca (fetch cycle) O Contador de Programa (PC) mantém o endereço da próxima instrução na memória. O processador busca (fetch) a instrução armazenada na posição de memória referênciada por PC. Realiza o incremento do PC Se não houver comando indicando o contrário. A instrução é carregada no Registrador de Instrução (IR). O processador interpreta a instrução e realiza as ações requeridas. 10

6 ciclo de execução (Execute Cycle) Movimentação Processador - Memória transferência de dados entre CPU e memória principal Movimentação Processador - E/S transferência de dados entre CPU e módulos de E/S Processamento de Dados Realiza alguma operação lógica ou aritmética nos dados Operações de Controle Alteração da seqüência de execução de instruções. ex.: desvios condicionais e não-condicionais (jump) Combinação das operações acima 11 Execução de um Programa Máquina Hipotética (a) Instruction Format (b) Integer Format OpCode S Endereço ou Operando Magnitude (c) Internal CPU Registers Program Counter (PC) = Address of Function Instruction Register (IR) = Instruction Being Executed Accumulator (AC) = Temporary Storage (c) Partial List of OpCodes 0001 = Load AC from Memory 0010 = Store AC to Memory 0101 = Add to AC from Memory 0011 = Load AC from I/O 0111 = Store AC to I/O 12

7 Exemplo de Execução de um Programa Processando a expressão: B = B+A Variável A armazenada no endereço 940 Variável B armazenada no endereço Ciclo de Instrução - Diagrama de Estados 14

8 Interrupções Mecanismos pelos quais outros módulos (ex. E/S) podem interromper a seqüência normal de processamento. Fontes de interrupções: Programa ex. overflow, division by zero Timer Gerado pelo processamento interno do relógio (timer) Usado em sistemas multi-tarefa preemptivos E/S a partir do controlador de E/S Falha de Hardware ex. memory parity error 15 Fluxo de Controle do Programa 16

9 Interrupt Cycle (ciclo de interrupção) Acrescentado ao ciclo de instrução Processador verifica se há interrupção Indicado por um sinal de interrupção Se não há interrupção, busca a próxima instrução na memória. Se houver interrupção pendente: Suspende a execução do programa corrente. Salva o contexto. Configura PC com o endereço de início da rotina de tratamento da interrupção (interrupt handler routine). Processamento da interrupção. Restaura o contexto e continua com o programa interrompido. 17 Ciclo de Instruções (com interrupções) Diagrama de Estado 18

10 Cenário com Múltiplas Interrupções Desabilitar Interrupções O processador ignorará futuras interrupções enquanto processa uma interrupção Interrupções permanecem pendentes e serão conferidas a primeira interrupção ter sido processada Interrupção são manipuladas na seqüência que elas acontecem Definir Prioridades Interrupções de baixa prioridade são interrompidas por interrupções de alta prioridade Quando a interrupção de mais alta prioridade foi processada, o processador retorna a interrupção anterior 19 Múltiplas Interrupções - Seqüêncial 20

11 Múltiplas Interrupções - Aninhadas (nested) 21 Foreground Reading Stallings, capítulo