Arquitetura e Organização de Computadores

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1 Arquitetura e Organização de Computadores Fernando Fonseca Ramos Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros Fundação Educacional Montes Claros 1

2 Índice 1- Introdução 2- Exemplo de Microarquitetura 3- Exemplo de Nível ISA: O IJVM 4- Exemplo de Implementação 5- Melhora de Performance 6- Exemplos de Níveis de Microarquitetura 2

3 1 - Introdução: É o nível 1, que fica acima do nível da lógica digital. Sua principal função é implementar o nível ISA (Instruction Set Arquitecture). O projeto deste nível deve considerar os seguintes elementos: arquitetura do conjunto de instruções a ser implementada (ISA). objetivos de custos e desempenho do computador a ser projetado. 3

4 1 - Introdução: A maioria das ISA s modernas, em particular os projetos RISC, tem instruções simples que podem ser executadas em um único ciclo de clock. As ISA s mais complexas, como a do Pentium, precisam de mais ciclos para executar uma única instrução. E necessário ter metodologias de seqüenciamento de instruções mais otimizadas para melhorar o desempenho da maquina em termos de tempo. 4

5 2 Exemplo de Microarquitetura: Não existem princípios gerais para projeto de microarquitetura, para estudo utiliza-se exemplos de microarquitetura. Exemplo de microarquitetura: IJVM. IJVM e a arquitetura de uma maquina virtual Java JVM (Java Virtual Machine). Executa apenas um subconjunto de instruções com inteiros da JVM. Objetivos: Arq. e Org. de Computadores Descrição da microarquitetura sobre a qual será implementada a IJVM. Descrição do controle e do seqüenciamento de execução das instruções. 5

6 2 Exemplo de Microarquitetura: Requisitos: Arq. e Org. de Computadores Desenvolvimento de um microprograma (em ROM) cuja função e buscar, decodificar e executar as instruções IJVM. O microprograma deve ser pequeno e deve alimentar diretamente as portas do hardware da maquina. Considera-se que cada instrução do nível ISA e uma função a ser chamada pelo programa principal. 6

7 2 Exemplo de Microarquitetura: 7 Caminho de Dados É a parte do processador que contém a UAL e todas as suas entradas e saídas. Conteúdo do Caminho de Dados: Conjunto de registradores de 32bits UAL (PC, SP, MDR, etc.) Controle de Função: F0 e F1 Controle de Habilitação: ENA, ENB Complemento de A: INVA Incremento: INC 3 Barramentos: A, B e C Deslocadores

8 2 Exemplo de Microarquitetura: Caminho de Dados Funções da ULA: Todas as funções executadas pela ULA são determinadas por 6 linhas de controle: F0 e F1 para determinação da operação. ENA e ENB para habilitar individualmente suas entradas A e B. INVA para inverter a entrada A. INC que forca um vai - um para o bit menos significativo, efetivamente adicionando 1 ao resultado (incremento de 1). 8

9 2 Exemplo de Microarquitetura: Caminho de Dados Combinações úteis de sinais de controle da ULA com as funções executadas por cada uma delas. 9

10 2 Exemplo de Microarquitetura: 10 Caminho de Dados É possível escrever em um mesmo registrador no mesmo ciclo de clock: leitura e escrita são feitas em momentos diferentes em um mesmo ciclo. A saída da UAL pode ser armazenada em mais de um registrador. Contudo, no barramento B apenas o conteúdo de um dos registradores pode ser transferido por vez. O registrador H pode ser carregado com o valor presente no barramento B, realizando-se uma soma com o sinal ENA desabilitado (ENA=0). Deslocamentos a direita e a esquerda podem ser comandados pelos sinais de controle do deslocador. SLL8 (shift left logical) desloca a saída da UAL 1 byte a esquerda, deixando 0s no byte da direita. SRA (shift right arithmetic): desloca a saída da UAL 1 bit para a direita, sem modificar o bit mais significativo.

11 2 Exemplo de Microarquitetura: Temporização 11

12 2 Exemplo de Microarquitetura: 12 Temporização O primeiro ciclo (explicito, do caminho de dados, apresentado na figura), pode ser visto como um conjunto de subciclos implícitos. O inicio do primeiro subciclo e marcado pela transição negativa do clock. Cada subciclo corresponde a execução de uma atividade em um determinado intervalo de tempo (Δw, Δx, Δy e Δz). Atividades que ocorrem durante os subciclos 1. Os sinais de controle são ativados (Δw). 2. O barramento B e carregado a partir dos registradores (Δx). 3. A UAL e o deslocar operam (Δy). 4. O resultado da operação da UAL e do deslocador se propaga através do barramento C em direção aos registradores (Δz).

13 2 Exemplo de Microarquitetura: Temporização O resultado e armazenado nos registradores na transição positiva do próximo clock. E de responsabilidade dos engenheiros de projeto assegurar que essa transição positiva ocorra somente apos passado o tempo Δw+Δx+Δy+Δdz. Caso contrario a carga dos registradores não é realizada. Dessa forma, é possível ler e escrever num mesmo registrador, sem produzir lixo (ex.: incremento do registrador PC). 13

14 2 Exemplo de Microarquitetura: Operações de Memória A comunicação da máquina com a memória utiliza duas portas : Porta de 32 bits (palavra): MAR (memory address register) MDR (memory data register) Porta de 8 bits (byte): PC (program counter) MBR (memory buffer register) Essa porta só pode ler dados da memória. Par de registradores MAR/MDR: usado para ler/escrever endereço da palavra Par de registradores PC/MBR: usado para ler instruções do programa executável 14

15 2 Exemplo de Microarquitetura: Operações de Memória MAR armazena o endereço de uma palavra, de maneira que os valores 0, 1, 2, etc. referenciam palavras consecutivas. Ex.: MAR=2, na leitura da memória, serão lidos os bytes 8 a 11 (os bytes que compõem a palavra 2), sendo esses 32 bits guardados no MDR. PC guarda o endereço de um byte, de modo que os valores 0, 1, 2, etc. referenciam bytes consecutivos. Ex.: PC=2, na uma leitura da memória, o byte 2 será lido da memória e seus 8 bits serão guardados nos 8 bits menos significativos do MBR. 15

16 2 Exemplo de Microarquitetura: Microinstruções De acordo com a figura do caminho de dados, são necessários 29 sinais para controle: 9 sinais para controlar escrita no barramento B 9 sinais para controlar escrita nos registradores a partir do barramento C 8 sinais para controlar UAL e deslocador 2 sinais para leitura e escrita em memória (MAR /MDR) 1 sinal para busca em memória via PC /MBR Os valores dos 29 sinais definem as operações a serem executadas durante um ciclo do caminho de dados 16

17 2 Exemplo de Microarquitetura: Microinstruções De acordo com a figura do caminho de dados, são necessários 29 sinais para controle: 9 sinais para controlar escrita no barramento B 9 sinais para controlar escrita nos registradores a partir do barramento C 8 sinais para controlar UAL e deslocador 2 sinais para leitura e escrita em memória (MAR /MDR) 1 sinal para busca em memória via PC /MBR Os valores dos 29 sinais definem as operações a serem executadas durante um ciclo do caminho de dados 17

18 2 Exemplo de Microarquitetura: Microinstruções Observação quanto ao acesso à memória: Uma solicitação de acesso ao conteúdo da memória é feita no ciclo 1 a informação solicitada só estará disponível no ciclo 3 (pelo menos) Redução do número de sinais de controle: 9 sinais para controlar escrita em B 4 sinais, usando decodificador (não faz sentido o acesso a B por mais de um registrador simultaneamente) 18

19 2 Exemplo de Microarquitetura: Microinstruções Estrutura e ordenação de uma possível microinstrução 19

20 2 Exemplo de Microarquitetura: Microinstruções Endereço: contém o endereço da próxima microinstrução a ser potencialmente ativada Desvio: determina a próxima microinstrução a ser executada UAL: especifica as funções da UAL e do deslocador Barramento C: seleciona qual dos registradores serão carregados com o valor que estiver no barramento C Memória: especifica as funções da memória Barramento B: seleciona a entrada do barramento B 20

21 2 Exemplo de Microarquitetura: O MIC-1: Elementos 21

22 2 Exemplo de Microarquitetura: O MIC-1: Elementos Seqüenciador Realiza todos os passos necessários para execução de uma instrução ISA A cada ciclo: estado de cada sinal de controle; e o endereço da próxima microinstrução Memória de controle: armazena o microprograma completo MPC (MicroProgram Counter): endereço da próxima microinstrução MIR (Micro Instruction Register): armazena microinstrução corrente 22

23 2 Exemplo de Microarquitetura: O MIC-1: Elementos Campo JAM Arq. e Org. de Computadores 000: nada a fazer JAMN == 1: O valor de N deve ser submetido a um OR com bit de maior ordem do MPC JAMZ == 1: O valor de Z deve ser submetido a um OR com bit de maior ordem do MPC F=(JAMN AND N) OR (JAMZ AND Z) OR NEXT_ADDRESS[8] Só há duas possibilidades para conteúdo de MPC: NEXT_ADDRESS NEXT_ADDRESS com bit de mais alta ordem submetido à operação OR com 1 23

24 2 Exemplo de Microarquitetura: O MIC-1: Elementos Campo JAM JMPC: 1: MPC=(8 bits de MBR) OR (8 bits menos significativos do NEXT_ADDRESS) JMPC=1: NEXT_ADDRESS = 0x000 ou 0x100 Em geral, MBR contém um código de operação (opcode) ISA 24

25 3 Exemplo de Nível ISA: O IJVM Pilhas Armazenamento de variáveis locais Só há duas possibilidades para conteúdo de MPC: 25

26 3 Exemplo de Nível ISA: O IJVM O Modelo de memória da IJVM Duas opções de visualização: Vetor de 2 32 bytes = 4 GB Vetor de 2 30 palavras (cada palavra = 4 bytes) As instruções da IJVM só podem ter acesso à memória indexando-a com ponteiros Pool de Constantes Programas IJVM não podem escrever nessa área que armazena constantes, strings e ponteiros para outras áreas da memória CPP aponta para o endereço da primeira palavra 26

27 3 Exemplo de Nível ISA: O IJVM O Modelo de memória da IJVM 1. Quadro de Variáveis Locais Armazena variáveis locais (procedimentos) LV aponta para a base do quadro de variáveis locais corrente 2. Pilha de Operandos Localiza-se imediatamente acima do quadro de variáveis locais SP aponta para o endereço de mais alta ordem 3. Área de Procedimento Armazena o programa PC armazena o endereço da instrução a ser executada 27

28 3 Exemplo de Nível ISA: O IJVM O Modelo de memória da IJVM Área de Procedimento: vetor de bytes Pool de Constantes: vetor de palavras Pilha de Operandos: vetor de palavras Quadro de Variáveis Locais: vetor de palavras 28

29 3 Exemplo de Nível ISA: O IJVM Conjunto de instruções da IJVM Manipulação de pilha BIPUSH byte (0x10): coloca byte na pilha DUP (0x59): copia topo e coloca no topo ILOAD varnum (0x15): coloca uma variável local no topo da pilha ISTORE varnum (0x36): retira palavra do topo e armazena numa variável local LDC_W índice (0x13): coloca no topo uma constante vinda do Pool de Constantes POP (0x57): retira da pilha a palavra do topo SWAP (0x5F): troca de posição as duas palavras do topo da pilha 29

30 3 Exemplo de Nível ISA: O IJVM Conjunto de instruções da IJVM Operações aritméticas IADD (0x60): retira as duas palavras do topo, soma-as e armazena o resultado no topo ISUB (0x64): retira as duas palavras do topo, subtrai-as e armazena o resultado no topo Operações lógicas IAND (0x7E): retira as duas palavras do topo, realiza um AND e armazena o resultado no topo IOR (0x80): retira as duas palavras do topo, realiza um OR e armazena o resultado no topo 30

31 3 Exemplo de Nível ISA: O IJVM Conjunto de instruções da IJVM Desvios Arq. e Org. de Computadores GOTO desl (0xA7): desvio incondicional IFEQ desl (0x99): retira o topo e desvia se for igual a zero IFLT desl (0x9B): retira o topo e desvia se for menor que zero IF_ICMPEQ desl (0x9F): retira as duas palavras do topo e desvia se forem iguais Chamadas de procedimentos INVOKEVIRTUAL desl (0xB6): chama um procedimento IRETURN (0xAC): retorna de um procedimento trazendo um inteiro 31

32 3 Exemplo de Nível ISA: O IJVM Compilação de JAVA para IJVM 32

33 4 Exemplo de Implementação Main 1 ) PC=PC+1; fetch; goto(mbr) nop1 ) goto Main 1 iadd1) MAR=SP=SP-1; rd iadd2) H=TOS iadd3) MDR=TOS=MDR+H; wr; goto Main 1 isub1 ) MAR=SP=SP-1; rd isub2 ) H=TOS isub3 ) MDR=TOS=MDR-H; wr; goto Main 1 dup1 ) MAR=SP=SP+1 dup2 ) MDR=TOS; wr; goto Main 1 33

34 4 Exemplo de Implementação bipush1 ) SP=MAR=SP+1 bipush2 ) PC=PC+1; fetch bipush3 ) MDR=TOS=MBR; wr; goto Main 1 iload1 ) H=LV iload2 ) MAR=MBRU+H; rd iload3 ) MAR=SP=SP+1 iload4 ) PC=PC+1; fetch; wr iload5 ) TOS=MDR; goto Main 1 34

35 5 Melhora da Performace Velocidade x Custo Metodologias para aumentar a velocidade de execução Reduzir o número de ciclos necessários à execução das instruções Simplificar a organização da máquina, de modo a reduzir o período de clock Sobrepor a execução de instruções Redução do caminho de execução 35

36 5 Melhora da Performace Redução do caminho de execução Arquitetura com três barramentos: inclusão de um barramento A para a entrada esquerda da UAL Unidade de busca de instruções: busca de instruções a cargo de uma unidade independente; UAL restrita à execução de instruções propriamente dita 36

37 5 Melhora da Performace Redução do caminho de execução 37