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1 Arquitetura de Computadores Arquitetura do conjunto de instruções.

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1 1 Arquitetura de Computadores Arquitetura do conjunto de instruções

2 2 Arquitetura de Computadores Arquitetura de conjunto de instruções, permite dar uma visão um pouco acima do hardware, onde iremos conhecer a linguagem de máquina e a linguagem de montagem. Vamos estudar a arquitetura ARC, baseada numa arquitetura comercial da SUN Um compilador traduz de uma linguagem de alto nível para uma de baixo nível Um montador assembly é responsável por traduzir a linguagem de assembly para linguagem de código de máquina Linguagem com o C, pascal, fortran traduzem diretamente para código de máquina da arquitetura. A linguagem JAVA traduz para uma linguagem intermediária, chamada de byte code. A máquina virtual JAVA interpreta o byte code para a linguagem de máquina de cada arquitetura. Alto Nível Baixo Nível C, Pascal, etc -> independente de arquitetura Montagem -> dependente de arquitetura Hardware

3 3 Arquitetura de Computadores As instruções de linguagem de máquina apenas apresentam as operações de acesso lógicas aritméticas, a memória, aos I/Os e registradores. O objetivo do barramento é reduzir o numero de interconexões entre as unidades Toda comunicação é feita pelo barramento. Nem todas as arquiteturas são assim. Existem aquelas que possuem barramentos dedicados, por exemplo: uma exclusiva entre a CPU e a memória.

4 4 Arquitetura de Computadores Funcionamento típico – Um programa de feito em uma linguagem de alto nível e armazenado no disco rígido. – O usuário carrega o programa para memória, com a ajuda do sistema operacional. – O programa é executado, operando instruções de baixo nível. Todas as instruções são executadas na ALU e gerenciados pela unidade de controle, o qual é responsável em direcionar quando uma instrução fará uma operação de acesso de memória, I/O ou se lógica e aritméticas devem ser realizadas.

5 5 Arquitetura de Computadores Um byte é composto de 8 bits ou dois nibbles Todas as outros tamanhos são compostos em termos de bytes.

6 6 Arquitetura de Computadores Memória – É um conjunto de registradores que armazenam bytes e que podem ser acessados através de um endereçamento. – Mesmo uma word ou palavras maiores podem ser acessados na memória, pois estes dados estão organizados sequencialmente na memória. Formatos Big-Endian e Little Endian – A forma como os dados podem estar organizado podem variar de arquitetura para arquitetura. – Os chamados Big-Endian, tem os bytes mais significativos nos endereços mais baixos. – OLittle-endian tem os bytes menos significativos no endereço mais baixo.

7 7 Arquitetura de Computadores O acesso a memória é sequencial A forma de acesso é apresentado pela figura ao lado. Através do endereçamento ou Address podemos indicar a unidade de memória qual dado estamos interessados em acessar.

8 8 Arquitetura de Computadores Mapeamento de memória – Alguns dispositivos podem ter mapeando como posição de memória as entradas e saídas de dados. Ao invés de usar I/O, um programa pode ler e escrever dados aos dispositivos simplesmente lendo ou escrevendo dados num dado endereçamento. – Estas regiões são protegidas e são usados somente para este fim, não podem ser usados pelos programas para armazenar informações dos aplicativos.

9 9 Arquitetura de Computadores Considerações sobre memória – Normalmente, as memórias podem ser considerados como um grande intervalo de endereços contínuos. Mas há outras formas de organização de memórias, como por exemplo: tipo segmentado.

10 10 Arquitetura de Computadores A CPU – Consiste de uma seção contendo registradores, ALU e a Unidade de Controle. – A seção de dados é também conhecida de DATAPATH

11 11 Arquitetura de Computadores A unidade de controle é responsável por executar uma por uma as instruções de código de máquina armazenadas na memória. Utiliza dois registradores especiais, que são a interface entre a unidade de controle e de dados. São o IR e PC, o primeiro contém a instrução lida da memória. A segunda possui o próximo endereço a ser lido pela unidade de controle para a proxima instrução.

12 12 Arquitetura de Computadores Algoritmo básico (ciclo de busca e execução) – Ler a próxima instrução, apontada pelo PC – Decodificar os operandos – Ler o operando da memória, se houver – Executar a instrução e armazenar os resultados – Repetir

13 13 Arquitetura de Computadores Datapath é feito sobre uma coleção de registradores conhecidos como registradores de arquivo e a ALU.

14 14 Arquitetura de Computadores Conjunto de Instruções – São uma coleção de instruções/comandos que são usados para executar tarefas de receber, processar e transmitir dados dentro do processador. Estes conjuntos são chamados de linguagem de máquina. – Cada arquitetura pode ter diferentes conjuntos de instruções. – Necessidades de compiladores: C, Pascal, Java, etc.

15 15 Arquitetura de Computadores Compiladores – São software para gerar programas em linguagem de máquinas. – Como entrada, são usados linguagens de alto nível, como alinguagem C, Fortran, Pascal, etc. – Usando o código fonte, por exemplo da linguagem C, é possível compilar um mesmo programa em várias arquiteturas diferentes.

16 16 Arquitetura de Computadores Processo de compilagem – Linguagem de alto nível – Linguagem de montagem – Tempo para linkagem – Código de máquina

17 17 Arquitetura de Computadores Exemplo de computador RISC – ARC ARC é uma máquina de 32 bits com memória endereçada por byte Podem manipular dados de 32 bits Tem áreas de memórias separadas por função

18 18 Arquitetura de Computadores Os menores 2048, são reservado para o S.O. Acima de 2048 e abaixo de da pilha, é reservada para os programas do usuário A pilha está localizada, e cresce em direção a endereços menores Acima disso, entre 2 31 e 2 32 – 1 é reservado para dispositivos de entradas e saídas.

19 19 Arquitetura de Computadores Conjuntos de instruções especiais – Os Registradores, são memórias especiais e são diferentes da memória, por estarem internas a CPU. – O ARC tem 32 registradores de 32 bits – Possui um PC, IR e PSR PC Program Count IR Instrution Register PSR – registrador de status – Load-Store – é uma arquitetura que carrega e armazena. Todos dados são necessariamente carregados em registradores para processamentos. O resultado é também sempre carregado em um registrador.

20 20 Arquitetura de Computadores Instruções de Movimentação de Dados – Ld e St, são respectivamente de leitura e escrita de dados da memória para registrador e vice- versa. – São as únicas instruções que podem acessar a memória no ARC.

21 21 Arquitetura de Computadores Instruções de Controle – São responsáveis por chamar subrotinas, gerar saltos condicionais e incondicionais na execução de um algorítmos. – Exemplo de incondicionais: Call e Jmpl – Exemplo das instruções condicionais: be, bneg, bcs, bvs e ba

22 22 Arquitetura de Computadores sdf

23 23 Arquitetura de Computadores O Registrador PSR – Ele especifica o status a uma dada operação aritmética. – z, define se uma operação matemática deu Zero – n, define se a operação deu negativo – c, Carry out – v, Overflow

24 24 Arquitetura de Computadores Formato de linguagem de montagem ARC

25 25 Arquitetura de Computadores Registradores

26 26 Arquitetura de Computadores Formato das instruções

27 27 Os Formatos de dados ARC – Temos formatos de: Inteiros sem sinal Inteiros com sinal Ponto flutuantes

28 28 Arquitetura de Computadores Pseudo Ops – São operandos especiais que são necessários que não fazem parte dos opscodes de uma arquitetura. Porém eles são necessários durante o processo de montagem de códigos de máquinas.

29 29 Arquitetura de Computadores Pseudo Ops

30 30 Arquitetura de Computadores Exemplo de código assembly

31 31 Um pouco mais complexo

32 32 Arquitetura de Computadores Variações na Arquitetura e endereçamento da máquina. – Considere A = B * C + D – Dependendo do tipo de instruções usado, esta expressão pode ocupar diferentes tamanhos. – Premissa que todos os operandos ocupem dois bytes e opcodes apenas um byte.

33 33 Arquitetura de Computadores Tipo com três parâmetros multB, C, AA <- B x C addD, A, AA <- A + D – O tamanho do programa ocupado é: 7x2 = 14 bytes. – Tráfico de Memória: x(2x3) = 26 bytes

34 34 Arquitetura de Computadores Tipo com dois parâmetros – Um dos operandos é usando para acomodar o resultado loadB, A A <- B multC, AA <- A x C addD, AA <- A + D O tamanho do programa: 3x(1+2+2) = 15 bytes Tráfico de memória: x2 + 2x3 + 2x3 = 31 bytes

35 35 Arquitetura de Computadores Tipo com dois parâmetros – Um dos operandos é usando para acomodar o resultado load BAcc <- B multCAcc <- Acc x C addDAcc <- Acc + D storeAA <- Acc Tamanho do programa: 4x3 = 12 bytes Tráfego de memória: x 2 = 20 bytes

36 36 Arquitetura de Computadores Registradores de Uso Especial – Algumas arquiteturas possuem registradores especiais de acordo com os fins específicos Registradores de indexação da memória, os registradores de índice de origem (SI) e de origem (DI) do Intel 80x86 são usados para marcar o início ou fim de um vetor de memória. Registradores de ponto flutuante: muitos processadores usam esses registradores para tratar com pontos flutuantes

37 37 Arquitetura de Computadores Registradores que implementa operações de tempo: o processador PowerPC 601 tem registradores de clock de tempo que oferecem medidas de tempo de alta resolução. Registradores de apoio ao S.O. : ex: apoio ao acesso a memória Registradores que podem ser acessados por instruções privilegiadas: são comandos que só S.O tem acesso e permissão usar.

38 38 Arquitetura de Computadores Modos de endereçamento – Uma constante que é conhecido em tempo de montagem – Conteúdo direto de um registrador – Soma de dois registradores – Soma de registradores e uma constante

39 39 Arquitetura de Computadores Ligação de Sub-rotinas

40 40 Arquitetura de Computadores Área de ligação de dados – A sub-rotina é linkado com uma área de dados de memória através de r5.

41 41 Arquitetura de Computadores Passagem de parâmetros usando a pilha

42 42 Arquitetura de Computadores Exemplo de uso da pilha em linguagem de alto nível.

43 43 Comportamento da pilha no exemplo anterior

44 44 Cont.

45 45 Arquitetura de Computadores Mapeamento da memória ARC.

46 46 Arquitetura de Computadores Touchscreen I/O Device

47 47 Arquitetura de Computadores Flowchart for I/O Device

48 48 Arquitetura de Computadores Java Virtual Machine Architecture

49 49 Arquitetura de Computadores Programa Java e o arquivo com a classe compilada

50 50 Arquitetura de Computadores A Java Class File

51 51 Arquitetura de Computadores Cont

52 52 Arquitetura de Computadores Byte code java – Byte code disassembled para um programa java LocationCodeMnemonicMeaning 0x00e30x10bipushPush next byte onto stack 0x00e40x0f15Argument to bipush 0x00e50x3cistore_1Pop stack to local variable 1 0x00e60x10bipushPush next byte onto stack 0x00e70x099Argument to bipush 0x00e80x3distore_2Pop stack to local variable 2 0x00e90x03iconst_0Push 0 onto stack 0x00ea0x3eistore_3Pop stack to local variable 3 0x00eb0x1biload_1Push local variable 1 onto stack 0x00ec0x1ciload_2Push local variable 2 onto stack 0x00ed0x60iaddAdd top two stack elements 0x00ee0x3eistore_3Pop stack to local variable 3 0x00ef0xb1returnReturn


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