Capítulo 5 − Nível ISA
− Primeiro nível desenvolvido, historicamente
− Atualmente existente entre o nível da microarquitetura e do sistema
operacional
− Compatibilidade com os níveis ISA anteriores !! => Pressão do mercado
− Características de um bom nível ISA:
− Deve definir um conjunto de instruções que possam ser implementadas
eficientemente na tecnologia atual e futura.
− Deve fornecer um alvo fácil para o código compilado: regularidade e
uma faixa de escolhas completas.
− Satisfação do projetista de hardware e do projetista de software.
5.1 Visão geral do nível ISA
5.5.1 Propriedades do nível ISA
− Nível ISA pode ser entendido como sendo a aparência do computador para
um programador em linguagem máquina =>é a saída do compilador.
− Nível ISA =>parte visível e necessária ao compilador
− Tipo do modelo de memória;
− Tipos de registradores existentes
− Tipos de dados
− Instruções disponíveis e registradores envolvidos
− Algumas arquiteturas possuem o nível ISA especificado formalmente :
SPARC e JVM.
− Dois modos de operação:
− Modo Kernel: Utilizado para rodar sistemas operacionais => permite
que todas as instruções sejam executadas.
− Modo usuário: Utilizado para rodar aplicativos e não permite a
execução de certas instruções (acesso a cache).
5.1.2 Modelos de memória
98
− Todos os computadores dividem a memória em células que possuem
endereços consecutivos (células de 1 a 60 bits) => 8 bits é o mais comum (1
byte).
− bytes geralmente organizados em grupos de palavras de 4 (32 bits) ou 8 (64
bits) bytes.
− Palavras alinhadas ou não:
− Palavras alinhadas: Pentium II => busca de 8 bytes de uma única vez => três
últimos bits de endereçamento sempre iguais a "000".
− Poucas máquinas possuem um espaço de endereçamento distinto para dados e
instruções
− Possibilidade de endereçar 232 bytes de programas e 232 bytes de dados
usando apenas 32 linhas de endereçamento.
− Uma operação de escrita não irá sobrescrever a área de programa.
− Comportamento da memória:
− Um LOAD após um STORE na mesma referência de memória pode
não retornar o valor previamente armazenado !! => reorganização das
microinstruções (estrutura superescalar); sistema multiprocessado com memória
comum.
5.1.3 Registradores
− Todos os computadores possuem alguns registradores visíveis ao nível ISA.
− Registradores de uso geral: Utilizados para armazenar variáveis locais e
resultados intermediários. Possibilitam o acesso rápido a dados muito utilizados.
− Idênticos e intercambiáveis (em algumas máquinas).
− Máquinas RISC => grande quantidade de registradores de uso geral
(CPU muito mais rápida do que a memória).
− Registradores de uso específico: Program Counter, Stack pointer,...
− Registrador de flags ou PSW (Program Status Word): Armazena vários bits
distintos necessários a CPU.
− Códigos de condição: refletem o resultado da última operação
executada:
99
N (negativo), Z (zero), V (overflow), C (carry), A (carry auxiliar), P
(paridade − geralmente quando o resultado possui uma paridade par)
− Outros bits: modo da CPU (kernel ou usuário), Trap (ou Trace,
utilizado para debugar), nível de prioridade da CPU, interrupção,...
5.1.4 Instruções
− Principal característica do nível ISA: conjunto de instruções da máquina =>
controlam o que a máquina pode fazer.
− Instruções de LOAD, STORE e MOVE;
− Instruções aritméticas e booleanas;
− Instruções de comparação e salto.
5.1.5 Visão geral do nível ISA do Pentium II
− Desenvolvido a partir de várias gerações.
− Execução do código gerado para o 8086 e 8088.
− 8086 e 8088: processadores de 16 bits (8088 possui um barramento de dados
de 8 bits).
− 80286: CPU de 16 bits. Possui um grande espaço de endereçamento pouco
utilizado pelos programas por utilizar a mesma segmentação de memória do
8086, ao invés de utilizar uma memória linear de 224 bytes.
− 80386: primeira máquina da Intel de 32 bits − IA−32 .
− Principais avanços a partir do 80386: Introdução de instruções MMX
− Pentium II:
− Três modos de operação: Dois para utilizá−lo com o 8088.
− Modo Real: Todas as características adicionadas a partir do 8088
são desligadas e o Pentium II operara como um simples 8088. Se o programa
fizer algo errado toda a máquina para.
− Modo 8086 Virtual: Possibilita a execução de programas
compilados para o 8088 de maneira protegida. Neste modo um sistema
operacional está no controle de toda a máquina. Se o programa fizer algo errado
o sistema operacional é notificado, ao invés de toda a máquina parar (exemplo:
janela do MS−DOS aberta no Windows).
− Modo Protegido: o Pentium II opera como um Pentium II. Quatro
níveis de privilégio estão disponíveis e controlados por bits na PSW.
− Nível 0: Corresponde ao modo Kernel em outras máquinas
e possui acesso total à màquina. Utilizado pelo sistema operacional.
− Nível 3: Utilizado por aplicativos do usuário. Bloqueia o
acesso a certas instruções críticas e a alguns registradores de controle.
− Níveis 1 e 2: raramente utilizados.
− Possui um grande espaço de endereçamento: Divisão da memória em
16.384 segmentos, cada um indo do endereço 0 ao endereço 232 => a maioria
dos sistemas operacionais (Incluindo UNIX e Windows) utilizam apenas um
100
segmento => os programas "enxergam" um endereçamento linear de 232 bytes.
Palavras de 32 bits armazenadas no formato little endian (bytes mais baixos nos
endereços mais baixos).
− Registradores:
5.1.6 Visão Geral do Nível ISA do UltraSPARC II
101
− Arquitetura SPARC introduzida em 1987 pela SUN (máquina de 32 bits) =>
RISC
− UltraSPCARC II: 64 bits, baseada na versão 9 da arquitetura.
− Memória linear de 264 bytes => nenhuma máquina realmente implementa o
total da memória => armazenamento defaul é big endian, podendo ser alterado
por um bit na PSW.
− Dois grupos de registradores:
− 32 registradores de ponto flutuante
− Armazenam valores de 32 bits (precisão simples) ou 64 bits
(precisão dupla).
− Podem ser combinados para armazenar valores de 128 bits
(precisão quadrupla).
− 32 registradores de uso geral de 64 bits: chamados de R0 a R31
− Gx: constantes, variáveis e ponteiros necessários em todos os
procedimentos.
− Ix e Ox: passagem de parâmetros para procedimentos.
− FP: aponta para a base do quadro atual, utilizado para acessar
variáveis locais (tal como o LV).
− SP: Indica o topo da pilha.
− R31: Utilizado para chamadas de procedimentos parar armazenar
o endereço de retorno.
− O UltraSPARC II possui mais do que 32 registradores de uso geral, entretanto
apenas 32 são visíveis ao programa a qualquer instante de tempo => Janela de
Registradores
− simulação de uma pilha, usando registradores.
− Existem vários conjuntos de registradores, tal como existem vários
quadros na pilha.
− Exatamente 32 registradores estão visíveis a qualquer instantes
− CWP (Current Windows Pointer) possui a informação de qual conjunto
de registradores está atualmente em uso.
102
− A chamada de um procedimento esconde o conjunto antigo de
registradores e fornece um novo conjunto decrementando CWP.
− Arquitetura locad/store: As únicas operações que podem acessar a memória
diretamente são LOADs e STOREs.
− Todos os operandos de instruções lógicas e aritméticas devem vir de
registradores ou fornecidos pela instrução. Os resultados são armazenados em
registradores (não na memória).
5.1.7 Visão geral da JVM
103
− Nível ISA não comum.
− Modelo de memória idêntico ao IJVM mas com o acréscimo de mais uma
região => ordenamento em big endian.
− Quadro de variáveis locais
− Pilha de operandos
− Área de método
− Área de constantes
− Heap => utilizada para armazenar objetos muito grandes ou dinâmicos.
− Não possui registradores de uso geral que podem ser carregados ou
descarregados por controle do programa => máquina puramente de pilha.
5.2 Tipos de Dados
5.2.1 Dados numéricos
− Números inteiros: 8, 16, 32 e 64 bits
− Maioria dos computadores atuais armazenam números inteiros em
complemento de dois.
− A maioria dos sistemas suporta números com sinal (signed) e sem sinal
(unsigned).
− Ponto−Flutuante: 32, 64 ou 128 bits
− A maioria dos computadores possuem instruções específicas para
trabalhar com pontos flutuantes bem como registradores específicos para
números em ponto−flutuante.
5.2.2 Dados não numéricos
− Processamento de texto ou base de dados
− Caractere: ASCII (7 bits) ou UNICODE (16 bits)
− String: seqüência de caracteres. Geralmente limitada por um caractere
especial.
− Booleano: um único bit pode representar uma variável booleana (na teoria).
Na prática utiliza−se um byte ou uma palavra.
− Ponteiro: armazena um endereço.
5.2.3 Tipos de dados no Pentium II
− Números inteiros com sinal em complemento de dois,
− Números inteiros sem sinal,
− Inteiros com 8 ou 16 bits
− Números BCD
− Números em ponto−flutuante (IEEE 754)
− Os operandos não precisam ser alinhados => alinhamento melhora a
performance.
− Possui instruções específicas para lidar com caracteres em ASCII
104
5.2.4 Tipos de Dados do UltraSPARC II
− Inteiros com sinal (complemento de dois) ou sem
− Ponto−flutuante com 32, 64 ou 128 bits (IEEE 754)
− Não suporta BCD
− Todos os operandos devem estar alinhados na memória.
− Caracteres ou Strings não são suportados por instruções específicas.
5.2.5 Tipos de Dados no JVM
− Cada operando possui um tipo específico e um tamanho conhecido da
compilação.
− Inteiros com sinal em complemento de dois
− Não possui números inteiros sem sinal
− Não possui números em BCD
− Suporta caracteres: UNICODE (16 bits)
− Programas do usuário não podem acessar diretamente ponteiros
5.3 Formatos de Instruções
− Instrução: OPCODE + informação adicional; origem dos operandos ou
destino do resultado.
− Origem/destino dos operandos: Endereçamento
105
− As instruções podem ou não ter o mesmo tamanho e não possuem uma
relação direta com o tamanho da palavra da CPU.
− Instruções de mesmo tamanho: facilidade de implementação e
decodificação => geralmente desperdiçam espaço.
5.3.1 Critérios de projeto para formatos de instruções
− Formato das instruções:
− Um dos principais parâmetros no projeto de uma nova CPU.
− A escolha de uma determinada característica depende da tecnologia
atual => sobrevivência depende da capacidade de predição da tecnologia futura.
− Instruções curtas são melhores do que instruções longas.
− Instruções curtas podem ser mais difíceis de serem decodificadas e
executadas
− Critérios:
− Tamanho da instrução
− Espaço suficiente no formato para conter todas as operações desejadas
(OPCODE) => espaço livre para aumentar a quantidade de operações no futuro.
− Número de bits utilizados no campo de endereçamento. Compromisso
entre números de bits e resolução da memória.
5.3.2 Expandindo OPCodes
− Supondo uma máquina com instruções de 16 bits:
− 16 possíveis instruções com 3 endereços:
106
− Supondo que esta mesma máquina precise ter:
− 15 instruções de três endereços;
− 14 instruções de dois endereços;
− 31 instruções de um endereço;
− 16 instruções sem endereçamento
5.3.3 Formatos de instrução do Pentium II
− Formatos complexos e irregulares com até seis campos de tamanho variável,
cinco opcionais => compatibilidade com processadores anteriores.
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− Instruções de dois operandos: Se um estiver na memória o outro deve estar em
um registrador.
5.3.4 Formatos de instrução do UltraSPARC II
− Instruções de 32 bits, alinhadas na memória
− Instruções simples especificando uma única ação
− Número limitado de formatos de instrução (até a data de edição do livro eram
um total de 31 formatos).
− Dois primeiros bits: ajudam na determinação do formato da instrução e
indicam a posição do resto do opcode.
5.3.5 Formatos de instruções do JVM
− Formato simples
− Todas as instruções utilizam um OPCODE de 1 byte.
108
109
5.4 Endereçamento
− Grande parte dos bits em um programa são utilizados para especificar a
origem/destino dos operandos/resultados.
− Redução da quantidade de bits necessárias para especificar operandos:
− Utilização de registradores x memória
− Operandos implícitos
− Três endereços, Dois endereços, um endereço, nenhum endereço
5.4.1 Modos de Endereçamento
− Endereçamento completo: Necessidade de muitos bits e do conhecimento do
endereço na etapa de compilação.
5.4.2 Endereçamento imediato
− A instrução contém o dado e não o endereço do dado => Operando imediato.
− Não necessita de memória extra para buscar o operando.
− Funciona somente com constantes.
MOV AL, 4
5.4.3 Endereçamento direto
− A instrução contém o endereço (memória) de um operando.
− O conteúdo da memória pode ser alterado, mas não o endereço.
− Funciona bem com variáveis globais.
MOV AL, [0004]
5.4.4 Endereçamento por registrador
− Similar ao endereçamento direto, mas utiliza um registrador ao invés de uma
posição de memória.
− Muito útil quando necessita−se diversas vezes da mesma variável
MOV AL,BH
5.4.5 Endereçamento indireto por registrador
− O endereço de uma variável é armazenado em um registrador.
− Registrador funciona como um ponteiro.
MOV AL,[BX]
5.4.6 Endereçamento indexado
110
− A palavra da memória é referenciada como um offset a partir de um
registrador.
− Endereço fornecido por um registrador+offset
MOV AL,[BX+0020]
5.4.7 Endereçamento indexado por base
− A palavra da memória é referenciada pela soma de dois registradores.
− Endereço fornecido por registrador_base+registrador(+offset)
MOV AL,[SI+BX+0005]
5.4.8 Endereçamento por pilha
− Possibilidade de não haver nenhum endereçamento na instrução
− Argumentos obtidos diretamente da pilha de operandos.
− Notação infix x RPN (Reverse Polish Notation)
− Notação RPN => ideal para computadores com pilha de operandos.
Ex. : (8 + 2 x 5)/(1 + 3 x 2 − 4) => 8 2 5 x + 1 3 2 x + 4 − /
5.4.9 Modos de endereçamentos para instruções de salto
111
− Necessidade de fornecer o endereço para o alvo do salto.
− Endereçamento direto => endereço fornecido na própria instrução.
− Endereçamento por registrador => flexibilidade e fonte de erros.
− Endereçamento indexado => flexibilidade e fonte de erros.
− Endereçamento relativo => fornece um offset (positivo ou negativo)
utilizando como base o valor atual de PC.
5.4.10 Ortogonalidade de OPCODES e Modos de Endereçamento
5.4.11 Modos de Endereçamento do Pentium II
− Suporta os modos: Imediato, direto, por registrador, indireto por registrador,
indexado e um modo especial para elementos em vetores.
− Utiliza o campo MODE (MOD+REG+R/M) para controlar os modos de
endereçamento.
− Em alguns modos utiliza o byte e SIB (Scale, Index, Base)
Endereço = Index_register x Escala + Base_register
onde Escala = 1, 2, 4 ou 8. Dependendo de Scale.
112
5.4.12 Modos de Endereçamento do UltraSPARC II
− Máquina de três endereços
− Todas instruções utilizam endereçamento imediato ou por registrador (exceto
as de acesso a memória)
− Endereçamento por registrador: 5 bits indicando o registrador
− Endereçamento imediato: 13 bits indicando a constante (com sinal)
− Instrução de LOAD/STORE
− 1º Modo: Endereço dado pela soma de dois registradores
− 2º Modo: Endereçamento indexado usando um offset de 13 bits (com
sinal)
5.4.13 Modos de Endereçamento do JVM
− Cada instrução possui um modo de endereçamento associado a ela
− Utiliza principalmente o modo indexado.
− Poucas instruções utilizam endereçamento imediato
− Os modos de endereçamento por registrador e indireto por registrador não são
suportados.
113
5.4.14 Discussão sobre modos de Endereçamento
5.5 Tipos de Instruções
5.5.1 Instruções para movimentação de dados
− Mover possui o significado de "copiar"
− LOAD, STORE, MOVE
− As instruções devem fornecer a quantidade de palavras a serem movidas
− Alguns conjuntos ISA fornecem instruções para mover menos do que uma
palavra.
5.5.2 Operações de dois argumentos
− Combinam dois operandos para produzir um resultado
− Instruções aritméticas (adição, subtração, multiplicação, divisão): Números
inteiros e/ou ponto flutuante.
− Instruções booleanas (AND, OR, XOR, NOR, NAND) => muito utilizadas
também para mascaramento.
5.5.3 Operações com um argumento
− Deslocamento : com sinal ou sem sinal (aritmético ou lógico)
− Rotação
− booleana: NOT
− Aritméticas: INC, NEG (0 − x => aditivo inverso)
5.5.4 Comparações e Saltos Condicionais
114
− A maioria das CPUS fornecem flags indicando o resultado da última instrução
executada: C, P, Z, N, O, A
− Comparação de dois números:
− Número com sinal ou sem sinal
− Máquinas com formato de instrução de três endereços: dois endereços
para os argumentos e o terceiro indicando a posição do salto.
− Máquinas com formato de instrução de dois endereços: Duas instruções
para executar o salto condicional: Primeira para efetuar a comparação e a
segunda para efetuar o salto.
5.5.5 Instruções de chamada de Procedimento
− Procedimento: grupo de instruções que executam determinada tarefa e que
pode ser chamado de diversas posições no programa.
− Quando o procedimento termina sua tarefa ele deve retornar para a primeira
instrução após a chamada => endereço de retorno deve ser salvo ou fornecido
ao procedimento.
− Possibilidade de recursão => armazenamento do endereço de retorno na pilha
5.5.6 Controle de Laços (Loops)
− Geralmente utiliza−se um registrador previamente especificado para ser o
contador que pode se incrementado/decrementado e testado.
− Teste no fim
− Teste no começo
5.5.7 Entrada/Saída
− I/O Mapeado em memória: Instruções de LOAD/STORE
− I/O separado da memória: Instruções de IN/OUT.
1 − Pooling: I/O programável com espera: O hardware avisa em um registrador
quando existe dados disponível.
2 − I/O por interrupção: O hardware solicita uma interrupção quando existe
dado disponível.
3 − I/O por DMA: O hardware avisa que já existem novos dados que já foram
transferidos para a memória
115
5.5.8 Instruções do Pentium II
116
5.5.9 Instruções do UltraSPARC II
117
5.5.10 Instruções do JVM
− 226 Instruções
118
5.5.11 Comparação entre conjuntos de Instruções
− Pentium II
− Máquina CISC de 32 bits de dois endereços
− Modos de endereçamento peculiares e irregulares
− Várias instruções para acessar a memória
−UltraSPARC II
− Máquina RISC de 64 bits de três endereços
− Arquitetura LOAD/STORE
− Poucos modos de endereçamento
− Conjunto de instruções compacto e eficiente
− JVM
− Máquina de pilha (stack)
− Praticamente sem modos de endereçamento
− Conjunto de instrução muito regular e de densa codificação
5.6 Fluxo de controle
− Seqüência na qual as instruções são executadas dinamicamente => Execução
do programa.
5.6.1 Fluxo Seqüencial de controle e Saltos
119
5.6.2 Procedimentos
− Principal técnica utilizada em programas estruturados
− Um procedimento altera o fluxo do programa => Ao final do procedimento o
programa volta ao ponto da chamada ou na instrução após a chamada.
− Procedimentos recursivos => procedimento capaz de chamar ele mesmo.
120
5.6.3 Co−Rotinas
− Utilizado para simular processos paralelos em uma única CPU.
− Não utiliza instruções como CALL e RETURN.
5.6.4 Traps
− Tipo de procedimento => iniciado automaticamente devido a alguma
condição causada pelo programa => condição rara mais importante (Ex.
Overflow, violação de proteção, opcode indefinido, divisão por zero, etc.)
− Trap Handler.
121
5.6.5 Interrupções
− Fluxo de controle alterado por outro dispositivo => I/O
− Processador pára o programa atual e passa a executar o programa associado
ao nível da interrupção solicitada => ao final do programa da interrupção o
processador volta a executar o programa anterior =>transparência.
− Prioridades de interrupção
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