Arquitetura e Organização de
Computadores
Fernando Fonseca Ramos
Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros
Fundação Educacional Montes Claros
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Arq. e Org. de Comp.– Fernando Ram
Arq. e Org. de Computadores
Índice
•
•
•
•
•
•
123456-
Introdução
Exemplo de Microarquitetura
Exemplo de Nível ISA: O IJVM
Exemplo de Implementação
Melhora de Performance
Exemplos de Níveis de Microarquitetura
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Nível da Microarquitetura
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.
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Nível da Microarquitetura
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.
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Nível da Microarquitetura
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:
– Descrição da microarquitetura sobre a qual será implementada a
IJVM.
– Descrição do controle e do seqüenciamento de execução das
instruções.
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Nível da Microarquitetura
2 – Exemplo de Microarquitetura:
•
Requisitos:
– 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.
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Nível da Microarquitetura
2 – Exemplo de Microarquitetura:
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
• (PC, SP, MDR, etc.)
– UAL
• Controle de Função: F0 e F1
• Controle de Habilitação: ENA,
ENB
• Complemento de A: INVA
• Incremento: INC
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– 3 Barramentos: A, B e C
– Deslocadores
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Nível da Microarquitetura
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).
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2 – Exemplo de Microarquitetura:
Caminho de Dados
• Combinações úteis de sinais de controle da ULA com as funções
executadas por cada uma delas.
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2 – Exemplo de Microarquitetura:
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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
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a direita, sem modificar o bit mais significativo.
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2 – Exemplo de Microarquitetura:
Temporização
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2 – Exemplo de Microarquitetura:
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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).
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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).
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Nível da Microarquitetura
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
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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.
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Nível da Microarquitetura
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
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Nível da Microarquitetura
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
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Nível da Microarquitetura
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)
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2 – Exemplo de Microarquitetura:
Microinstruções
• Estrutura e ordenação de uma possível microinstrução
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Nível da Microarquitetura
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
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2 – Exemplo de Microarquitetura:
O MIC-1: Elementos
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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
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2 – Exemplo de Microarquitetura:
O MIC-1: Elementos
•
•
Campo JAM
– 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
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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
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3 – Exemplo de Nível ISA: O IJVM
Pilhas
•
Armazenamento de variáveis locais
•
Só há duas possibilidades para conteúdo de MPC:
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3 – Exemplo de Nível ISA: O IJVM
O Modelo de memória da IJVM
•
•
•
Duas opções de visualização:
– Vetor de 232 bytes = 4 GB
– Vetor de 230 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
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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
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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
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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
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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
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3 – Exemplo de Nível ISA: O IJVM
Conjunto de instruções da IJVM
•
Desvios
– 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
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3 – Exemplo de Nível ISA: O IJVM
Compilação de JAVA para IJVM
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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
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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
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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
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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
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5 – Melhora da Performace
Redução do caminho de execução
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