Instruções de Máquina

Transcrição

1 Instruções de Máquina

2 Operação básica (primitiva) que o hardware é capaz de executar diretamente Conjunto de bits que indica ao processador uma operação que ele deve realizar

3 O projeto de um processador é centrado no conjunto de instruções de máquina que se deseje que ele execute Quanto menor e mais simples o conjunto de instruções, mais rápido é o ciclo de tempo do processador

4 Existem duas tecnologias de projeto de computadores: Sistemas com conjunto de instruções complexo (complex instruction set computers CISC) Sistemas com conjunto de instruções reduzido (reduced instruction set computers RISC)

5 Um processador possui instruções capazes de realizar: Operações matemáticas Movimentação de dados (memória UCP e viceversa) Entrada e saída (leitura e escrita em dispositivo de E/S) Controle (desvio de seqüência de execução, parar, etc...)

6 Exemplos: Intel 8080: 78 instruções Intel 8088: 117 instruções 80486: 286 instruções Pentium II: 217 instruções

7 Uma instrução é dividida basicamente em dois campos: Código de operação ou opcode C. Op. Operandos

8 Código de Operação: indica qual operação deverá ser realizada, por exemplo: Realizar uma operação lógica entre dois valores Parar a execução de um programa Testar uma condição: Se teste verdadeiro, então desviar para outro endereço fora da seqüência

9 O campo código de operação possui, nos processadores atuais, 1 byte de tamanho Pode-se, então, ter 2 8 instruções diferentes

10 Operando: indica a localização do dado que será manipulado O campo operando pode estar subdividido em outros campos no caso de mais de um operando, por exemplo: Em uma instrução cujo código de operação é uma soma, são necessários três operandos Dois operandos para armazenar as parcelas Um operando para armazenar o total

11 Instrução de Soma: C. Op. Operando 1 Operando 2 Operando 3 (operando 3) (operando 1) + (operando 2)

12 Outro formato para instrução de soma que produz o mesmo efeito: C. Op. Operando 1 Operando 2 (operando 1) (operando 1) + (operando 2) (operando 2) (operando 1) + (operando 2)

13 Pode-se também usar o registrador acumulador para representar a mesma operação C. Op. Operando ACC ACC + (operando)

14 Iremos analisar as etapas realizadas pelo processador para a execução de uma instrução de máquina Ciclo de Instrução

15 Iremos considerar um computador hipotético com as seguintes características: Palavra de 12 bits Endereços de 8 bits (256 células de memória) Células de 12 bits ACC, RI e RDM com 12 bits de tamanho CI e REM com 8 bits de tamanho

16 Instruções de um operando apenas C. Op. de 4 bits e operando de 8 bits Campo operando sempre indica o endereço de memória do dado, exceto em instruções de desvio C. OP. Operando 4 bits 8 bits Instruções disponíveis: listadas na tabela a seguir

17 C. Op. Sigla Descrição 0 HLT Parar execução do programa (HALT, em inglês) 1 LDA op ACC (op) (LOAD, em inglês) 2 STR op (op) ACC (STORE, em inglês) 3 ADD op ACC ACC + (op) 4 SUB op ACC ACC - (op) 5 JZ op Se ACC = 0, então CI op 6 JP op Se ACC > 0, então CI op 7 JN op Se ACC < 0, então CI op 8 JMP op CI op

18 C. Op. Sigla Descrição 9 GET op A PRT op Ler dado da porta de entrada e armazená-lo em Op Colocar na porta referente à impressora o valor armazenado em (op)

19 O ciclo de instrução pode ser mais detalhado conforme as especificações do processador listadas anteriormente

20 Início Buscar a próxima instrução Executar instrução Interpretar instrução (decodificar) Armazenar resultados Buscar operandos Fim

21 Início Subciclo de busca Buscar a próxima instrução Incrementar O CI Decodificação do C. Op. Subciclo de Execução Tem operando? não Executar a operação sim Buscar e armazenar operando Armazenar resultados Fim

22 A fase de busca de instrução é idêntica para qualquer instrução A fase de decodificação e execução depende da instrução Vamos analisar como exemplo a execução de duas instruções na seguinte seqüência: LDA op e ADD op

23 Considere que a instrução LDA está armazenada na MP no endereço decimal 2 (2 16 ou ) 1B C. Op. Operando B4 16

24 Considere que a instrução ADD está armazenada na MP no endereço decimal 3 (3 16 ou ) 3B C. Op. Operando B5 16

25 B4 3B5 B4 B5 B6 1A7 07D FF

26 Valores dos registradores: CI=02 (Endereço colocado pelo sistema operacional para iniciar a execução do programa) RI= (última instrução executada) ACC=20B 16 (valor obtido da execução anterior) REM=B3 e RDM=7BC

27 CPU MP ULA ACC CI RDM 20B 02 7BC B4 3B5 B3 UC RI 317 DI REM B4 B5 B6 1A7 07D FF Barramento de controle

28 A partir desta configuração, inicia-se o ciclo da instrução LDA Busca da Instrução A UC aciona a transferência do conteúdo de CI para REM (endereço de LDA) REM CI O conteúdo de REM é colocado no barramento de endereços e a UC ativa a linha READ do barramento de controle

29 A memória recebe o endereço e coloca o conteúdo da célula 02 no barramento de dados (1B4) O conteúdo do barramento de dados chega no RDM RDM Mem O conteúdo do RDM é enviado para o RI RI RDM

30 Enquanto está acontecendo a operação de leitura na memória, o CI está sendo incrementado Como, no nosso exemplo, qualquer instrução ocupa uma célula de memória, o CI será incrementado de uma unidade (CI = 03) para apontar para a próxima instrução CI CI + 1

31 Valores dos registradores após o subciclo de busca da instrução 1B4 CPU MP ULA ACC CI RDM 20B BC 1B B4 3B5 B3 02 UC RI 317 1B4 D I REM B4 B5 B6 1A7 07D FF Barramento de controle

32 Decodificação de Instrução A UC emite um sinal para que o RI transfira para o decodificador de instruções os 4 bits do C. Op. Decodificador 0001 O decodificador seleciona, através de uma lógica nele existente, a linha de saída correspondente para a UC que emitirá os sinais adequados e em uma determinada seqüência para a execução da instrução

33 Como na instrução LDA não há operando a ser buscado, inicia-se então a execução da instrução

34 Execução de Instrução A execução da instrução LDA resume-se em buscar na memória o conteúdo da célula B4 A UC comanda o RI para enviar os bits referentes ao endereço de memória para o REM A UC ativa a linha READ do barramento de controle

35 A memória recebe o endereço que chega pelo barramento de endereço, decodifica e envia o conteúdo da célula B4 para o barramento de dados RDM recebe o conteúdo do barramento de dados RDM 1A7 A UC emite um sinal para o RDM enviar o seu conteúdo para o ACC ACC RDM

36 Valores dos registradores após a execução da instrução 1B4 CPU MP ULA ACC CI RDM 20B 1A B4 1A B4 3B5 02 B4 UC RI 317 1B4 D I REM B4 B5 B6 1A7 07D FF Barramento de controle

37 Considerando que ADD é a instrução seguinte a ser executada, o CI já contém o seu endereço Inicia-se a busca da próxima instrução

38 Busca da Instrução A UC aciona a transferência do conteúdo de CI para REM (03) REM CI O conteúdo de REM é colocado no barramento de endereços e a UC ativa a linha READ do barramento de controle A memória recebe o endereço e coloca o conteúdo da célula 03 no barramento de dados (3B5)

39 O conteúdo do barramento de dados chega no RDM RDM Mem O conteúdo do RDM é enviado para o RI RI RDM Enquanto está acontecendo a operação de leitura na memória, o CI está sendo incrementado, passando a valer 4 CI CI + 1

40 ULA Valores dos registradores após o subciclo de busca da instrução 3B5 20B 1A7 CPU ACC CI RDM A7 3B MP 1B4 3B5 B4 03 UC RI 1B4 3B5 D I REM B4 B5 B6 1A7 07D FF Barramento de controle

41 Decodificação de Instrução A UC emite um sinal para que o RI transfira para o decodificador de instruções os 4 bits do C. Op. Decodificador 0011 O decodificador seleciona a linha de saída correspondente para a UC que emitirá os sinais adequados para a busca do operando

42 Busca de Operando O endereço do operando a ser buscado na MP está do RI, no campo operando (B5) UC emite sinais para que o REM receba o operando REM B5 REM coloca o seu conteúdo no barramento de endereços A UC ativa a linha READ no barramento de controle

43 A memória recebe o endereço e coloca o conteúdo da célula B5 no barramento de dados (07D) O conteúdo do barramento de dados chega no RDM RDM Mem

44 ULA 20B 1A7 Valores dos registradores após a busca do operando 07D CPU ACC CI RDM B5 07D MP 1B4 3B5 03 B5 UC RI 1B4 3B5 D I REM B4 B5 B6 1A7 07D FF Barramento de controle

45 Execução de Instrução A ULA recebe o primeiro operando da soma que está no acumulador ULA 1A7 O conteúdo do RDM (segunda parcela da soma) é colocado no ACC ACC RDM A ULA recebe a segunda parcela da soma ULA ACC

46 CPU MP 1A7 07D ACC CI RDM 1A7 07D B5 07D B4 3B5 03 B5 UC RI 1B4 3B5 D I REM B4 B5 B6 1A7 07D FF Barramento de controle

47 A UC comanda a ULA para realizar a adição dos dois valores 1A7 + 07D = 224 O resultado da adição é colocado no ACC ACC 224

48 ULA Valores dos registradores após a execução da instrução 3B5 07D 224 CPU ACC CI RDM B5 07D MP 1B4 3B5 03 B5 UC RI 1B4 3B5 D I REM B4 B5 B6 1A7 07D FF Barramento de controle