O Nível da Microarquitetura. Um Exemplo de Microarquitetura. Um Exemplo de Microarquitetura. Um Exemplo de Microarquitetura

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1 Ciência da Computação Arq. e Org. de Computadores Nível da O projeto do nível de microarquitetura depende: da arquitetura do conjunto das instruções a serem implementadas. dos objetivos de custo e desempenho do computador que estiver sendo projetado. Prof. Sergio Ribeiro 2 Arquitetura de uma Máquina Virtual Java JVM (Java Virtual Machine). Subconjunto de instruções inteiras da JVM que será chamado de IJVM. Objetivos: Descrição da arquitetura,microarquitetura, acima da qual vamos implementar a IJVM. Descrição do controle e do seqüenciamento da execução dessas instruções. 3 Requisitos: Desenvolvimento de um microprograma. Função buscar, decodificar e executar as instruções IJVM. Microprograma deve ser pequeno e deve alimentar direta e eficientemente as portas lógicas do hardware da máquina. Pode-se considerar que cada instrução do nível ISA é uma função a ser chamada pelo programa principal. 4 O microprograma tem um conjunto de variáveis, que podem ser acessadas por todas as funções do computador, conhecidas como estado do computador. Cada função muda, pelo menos, uma das variáveis que formam o estado do computador. 5 Considerações gerais sobre as instruções da IJVM: As instruções são pequenas e muito simples de serem executadas. Cada instrução tem poucos campos, em geral 1 ou 2, que têm propósito específico. O primeiro campo de todas as instruções IJVM é o código de operação (opcode). Muitas instruções tem um campo adicional, que especifica o operando. Cada microinstrução segue o modelo de execução conhecido como ciclo de busca/execução. 6 1

2 O caminho de dados parte do processador que contém a UAL e todas as suas entradas e saídas. 7 O caminho de dados contém: Um conjunto deregistradoresde 32 bits, (PC, SP, MDR,...), que só podem ser acessados pelo microprograma. Um barramento B, no qual os registradores podem colocar suas informações. Uma UAL, cujas entradas estão ligadas aos barramentos A e B. Um Deslocador alimentado pela saída da UAL e que alimenta o barramento C. 8 Função a ser executada pela UAL Determinada pelas 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 de A. INC que força um vem-um para o bit menos significativo (incremento de 1). Combinações úteis dos sinas de controle da UAL: 9 10 Observações : 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 à direita e à esquerda podem ser comandados pelos sinais de controle do deslocador. Exemplos: SLL8 desloca a saída da UAL 1 byte a esquerda, deixando 0s no byte da direita. SRA1 desloca a saída da UAL 1 bit para a direita, sem modificar o bit mais significativo (bit de sinal). Temporização do caminho de dados Questão: Um registrador pode ser lido e escrito no mesmo ciclo de clock sem produzir lixo? Resposta: SIM A temporização exata do caminho de dados torna possível a leitura e a escrita de um registrador no mesmo período de clock

3 Os registradores são carregados A saída do instantaneamente com o conteúdo do O ciclo de deslocador barramento C na transição positiva do clock fica estável sinal de clock começa aqui Ciclo 1 Ciclo 2 Nesse momento o valor novo armazenado no MPC é usado w x y z para carregar o MIR com a nova microinstrução O MPC fica Estabelecimento dos Tempo para disponível valores dos sinais operação da durante que vão alimentar o UAL e do esse tempo caminho de dados deslocador Carga de valores em Tempo de propagação H e no barramento B da saída do deslocador para os registradores Diagrama de tempo de um dos ciclos do caminho de dados 13 Temporização do Caminho de Dados O primeiro ciclo (explícito, do caminho de dados, apresentado na figura), pode ser visto como um conjunto de subciclos implícitos. O início do primeiro subciclo é marcado pela transição negativa do clock. Atividades, junto com sua duração (entre parênteses), que ocorrem durante os subciclos: 1. Os sinais de controle são ativados ( w leia-se delta w). 2. O barramento B é carregado a partir dos registradores ( x). 3. A UAL e o deslocador operam ( y). 4. O resultado da operação da UAL e do deslocador se propaga através do barramento C em direção aos registradores ( z). 14 Temporização do Caminho de Dados O resultado é armazenado nos registradores na transição positiva do próximo clock. É de responsabilidade dos engenheiros de projeto assegurar que essa transição positiva ocorra somente após passado o tempo w+ x+ y+ z. Caso contrário a carga dos registradores não é realizada. 15 Comunicação da máquina com a memória: por uma porta de memória de 32 bits que é controlada por 2 registradores: MAR(Memory Address Register) registrador de endereços MDR(Memory Data Register) registrador de dados e por uma porta de memória de 8 bits que é controlada por um terceiro registrador PC. O PC lê um byte da memória e coloca-o nos 8 bits menos significativos de um registrador conhecido como MBR (Memory Buffer Register). 16 Combinação MAR/MDR usada para ler/escrever palavras de dados pertencentes ao nível ISA. Combinação PC/MBR usada para ler o programa executável, grupo de bytes, do nível ISA. Cada registrador é controlado por um ou dois sinais de controle, situados embaixo do registrador: uma seta claraindicando que o sinal de controle habilita a saída do registrador para o barramento B. uma seta escuraindicando que o sinal de controle habilita a carga do registrador a partir do barramento C. 17 MAR guarda o endereço de uma palavra, de maneira que os valores 0, 1, 2, etc. referenciam palavras consecutivas. Ex:MAR=2 e 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 e iniciando uma leitura de memória, o byte 2 será lido da memória e seus 8 bits serão armazenados nos 8 bits menos significativos do MBR. 18 3

4 Na implementação física da memória, só há uma memória real, orientada a byte. Artifício: Mapeamento dos bits do MAR nos bits do barramento de endereço. Quando MAR=1, o endereço 4 é que vai aparecer no barramento da máquina de 4GB. Quando MAR=2, o endereço 8 estará no barramento, etc. 19 A figura mostra que os dois bits mais significativos são descartados no mapeamento do seu conteúdo para o barramento de endereços (por exemplo, valor 1 vira 4). Tais bits só são necessários para endereçar palavras acima de 2 32, o que não é permitido na nossa máquina de 4GB. 20 Para controlar um caminho de dados, como o da figura, é necessário um conjunto de sinais de controleque atuam sobre os componentes do nível da lógica digital. A figura mostra um possível formato para agrupar os bits de controle da nossa arquitetura em 6 grupos, e 36 sinais. Os valores desses sinais de controle especificam as operações a serem executadas em um ciclo do caminho de dados Descrição dos Sinais Controle Microprogramado: Endereço contém o endereço da próxima microinstrução a ser potencialmente ativada. Desvio determina como a próxima microinstrução será selecionada. UAL especifica as funções da UAL e do deslocador. Barramento C seleciona qual ou quais registradores serão carregados com o valor que estiver no barramento C. Memória especifica as funções da memória (escrita, leitura ou busca). Barramento B seleciona a entrada do barramento B. Os 4 bits são suficientes para selecionar um dos 9 registradores que disponibilizará seus dados no barramento B. 23 Para decidir quais dos sinais de controle devem ser habilitados em cada ciclo faz-se necessário a inclusão de um seqüenciador em nossa arquitetura. Características do seqüenciador: responsável pela execução de todos os passos necessários a execução de uma única instrução do nível ISA. produz dois tipos de informações a cada ciclo: 1. O estado de cada sinal de controle do sistema. 2. O endereço da microinstrução que será executada em seguida. 24 4

5 Controle Microprogramado: Controle Microprogramado: A figura mostra o diagrama de blocos detalhado da microarquitetura de nossa máquina-exemplo, que receberá o nome de Mic-1. O diagrama de blocos tem 2 partes: o caminho de dados, à esquerda. a seção de controle, à direita Mic-1: A Memória de Controle Mic-1: Operação do Esquema As microinstruções não são executadas sequencialmente, como as instruções da memória principal. Cada microinstrução especifica explicitamente sua sucessora. O endereço da próxima microinstrução é guardado no registrador MPC(Microprogram Counter ). O registrador de dados da memória de controle é chamado MIR (MicroInstruction Register ). Função armazenar a microinstrução corrente cujos bits alimentam os sinais de controle que operam o caminho de dados. 27 Atualização do MPCé feita por: um circuito lógico, chamado bit de mais alta ordem, que implementa a função: F=(JAMZ AND Z) OR (JAMN AND N) OR NEXT_ADDRESS[8] Assim os dois únicos valores que o MPC pode assumir são: 1. O valor do campo NEXT_ADDRESS 2. O valor do campo NEXT_ADDRESS com o bit de mais alta ordem submetido à operação OR com o valor 1. Observação: O valor do campo NEXT_ADDRESS não mudará se JAMZ=JAMN=0. 28 Mic-1: Operação do Esquema Atualização do MPCé feita por: um circuito lógico caixa O da figura. Se o sinal de desvio é igual a 1, esse circuito implementa uma função OR bit a bit entre o MBR (que em geral contém um código de operação) e os 8 bits menos significativos do NEXT_ADDRESS corrente. Microinstrução com JAMZ configurado para dois sucessores potenciais