Organização Estruturada de Computador

O Nível de Arquitetura do Conjunto de Instruções - Parte I

Nesta aula abordaremos com mais detalhes o nível da arquitetura que tem como função implementar a camada ISA situada acima dele.

O texto abaixo é um resumo das seções 5.1 e 5.2 do capítulo 5 do livro: Organização Estruturada de Computadores de Andrew S. Tanenbaum, 4a Edição, 2001. As figuras do texto foram obtidas do material disponibilizado na internet pelo autor desse mesmo livro.

Importante: O resumo abaixo deve ser complementado, pelo aluno, com a leitura do texto original do livro.

Introdução

Nível ISA - é a interface entre o software e o hardware

Pode-se ter hardware que executa diretamente programas escritos em Alto Nível?
Isso não é uma boa idéia. Porque?

Metodologia empregada pelos Arquitetos de Sistemas

Aceita-se programas em diversas linguagens de Alto Nível
Traduz-se a linguagem para uma linguagem intermediária - o nível ISA
Constróe-se um hardware, com ou sem microprogramação, que executa instruções do nível ISA

A figura 5.1 mostra a relação entre os compiladores, o nível ISA e o Hardware

Fig 5.1 O nível ISA é a interface entre os compiladores e o hardware

O Nível ISA depende de uma negociação entre os projetistas de compiladores e os engenheiros de Hardware

Engenheiros de Hardware felizes e
Desenvolvedores de Software contentes

As novas máquinas devem ser compatíveis com:

Antigos Sistemas Operacionais
Aplicações já desenvolvidas
O desafio é construir máquinas melhores e compatíveis com as anteriores

Quais as características que uma boa ISA deve ter?

Ser implementada com eficiência, tanto nas tecnologias atuais como nas futuras

hardware mais simples
hardware com melhor tecnologia disponível

Facilidade de se gerar código para a ISA

Na próximas seções veremos como isso é possível.....

Visão Geral do Nível

Propriedades do Nível ISA

O nível ISA define o aspecto da máquina para um programador de linguagem de máquina

Para gerar código para o nível ISA o projetista do compilador deve conhecer:

o modelo de memória da máquina

quais os registradores estão implementados

os tipos de dados e de instruções disponíveis

Também afetam a performance e deve ser visível ao projetista do compilador:

se a máquina é microprogramada ou hardwired

se é projetada ou não em pipeline

superescalar ou não

Para algumas arquiteturas não existe uma documentação formal de especificação

fabricante não quer clones de sua máquina (ex: Pentium-Intel)

Para outras arquiteturas o nível ISA é especificado por um documento formal

permitindo que diferentes implementadores construam máquinas distintas, rodando o mesmo software (chips funcionalmente identicos com diferenças em preço e performance)

O documento formal contém

seções normativas: que impoem requisitos que devem ser atendidos na implementação

seções informativas: que ajuda o leitor a entender os requisitos sem entrar na definição formal

conjuntos de testes: conjunto de testes específicos para se verificar a implementação em relação a especificação formal

O documento com as definições deve informar:

O modelo de memória adotado

Quantos e quais registradores estão implementados

O que cada instrução faz

O ítens 2, 3 e 4 abaixo fornecem mais detalhes sobre esses tópicos

Modelos de memória

Atualmente as memórias são formadas por grupos de 4 bytes (32 bits) ou de 8 bytes (64 bits)

As palavras de 4 ou 8 bytes podem estar alinhadas ou não alinhadas com as fronteiras naturais da memória, como mostrado na figura 5.2

O acesso a memórias alinhadas são mais eficientes. Porque?

A leitura de 1 endereço arbitrário requer um hardware mais sofisticado e é mais caro

Mesmo quando alinhadas, os acessos a memória podem ser não alinhados. Porque?

manutenção de compatibilidade com arquiteturas antigas (máquinas de 8 ou 16 bits)

Semantica ? .......

Fig 5.2 Uma palavra de 8 bytes em uma memória little-endian. (a) Alinhada (b) Não Alinhada. Algumas máquinas exigem que as palavras da memória sejam alinhadas.

3. Registradores

Memórias rápidas usadas em execução de instruções dentro do processador (objetivo é minimizar os acessos às memórias externas ao processador)
Todos os processadores tem um conjunto de registradores visíveis no nível ISA
Em geral, or registradores visíveis no nível de microarquitetura, não são visíveis para o nível ISA

Classificação - registros podem ser divididos grosseiramente em 2 categorias

Registradores de propósito específicos

cumprem funções específicas (exemplo o PC e o SP)
alguns só são usados pelo processador

Registradores de propósito geral

usados para armazenar vari´veis locais e resultados intermediários
são, em geral, simétricos e intercambiáveis (usados indistintamente)

As figuras 5.3 e 5.4 abaixo exemplificam as estruturas dos registros do Pentium II e do UltraSparc II

Fig 5.3 Os principais registradores do Pentium II

Registrador    Nome alternativo    Função
R0 GO    Valor armazenado fixo em O por hardware. As tentativas de
   armazenamento nesse registrador são ignoradas.
R1-R7   G1-G7    Armazena variáveis globais
R8-R13    O0-O5    Armazena parâmetros para procedimentos a serem chamados
R14 SP    Apontador de pilha
R15   O7    Registrador de rascunho
R!6-R23      LQ-L7    Armazena as variáveis locais do procedimento corrente
R24-R29 I0-I5    Armazena os parâmetros de entrada
R30       FP    Ponteiro para a base do quadro de pilha corrente
R31       I7      Armazena o endereço de retorno para o procedimento corrente

Fig 5.4 Os registradores de propósito geral do UltraSparc II

4. Instruções

O conjunto de instruções controlam tudo o que a máquina pode fazer
Tipos de instruções típicas:

LOAD, STORE - realizam o movimento de dados e instruções entre memória e registradores
MOVE - realizam cópia de valores entre registros
ADD, SUB, MULT,... - realizam operações aritméticas
AND, OR, XOR, ... - realizam operações lógicas
EQ, NEQ, LEQ,... - realizam operações de comparação
GOTO - operação de desvio

Tipos de Dados

Se existe suporte de hardware para um determinado tipo de dado

usuário não pode manipular dado em formato particular diferente do especificado (implementado)

Se não existe esse suporte

usuário tem maior flexibilidade para trabalhar com tipos diferentes ou próprios

Tipos de Dados Numéricos

Inteiros

Comumente de 8, 16, 32 e 64 bits, com sinal e sem sinal
Muitas vezes representados em complemento de 2
Exemplo: Para o caso de 32 bits sem sinal temos 2³² valores inteiros
Exemplo: Para caso de 32 bits com sinal temos 2³¹ valores inteiros mais o sinal

Ponto Flutuante

Comumente de 32, 64 e 128 bits, com sinal e sem sinal
Considera-se o sinal, a parte inteira e a parte decimal
Podem existir registradores específicos para esses tipos de dados

Tipos de Dados não numéricos (

Textos ou alfanuméricos

Tipicamente usados em processadores de texto, planilhas e banco de dados

Códigos mais usados atualmente: ASCII (8 bits) e UNICODE (16bits)