Organização Estruturada de Computador 

Aula8

O Nível da Microarquitetura - Parte II 

Tópicos

• Um exemplo de nível ISA: O IJVM
• Pilhas
• O Modelo de Memória da IJVM 
• Conjunto de Instruções da IJVM
• Compilação da Linguagem Java para IJVM
• Exercícios

Um exemplo de nível ISA: O IJVM

• Objetivo:

Introduzir um nível ISA, a ser interpretado pelo microprogarma que esteja rodando na microarquitetura da figura 4.6

• Definição:

Vamos chamar de macroarquitetura (em contraste com microarquitetura), a arquitetura do conjunto de instruções do nível ISA.

Pilhas

• Pilhas de Variáveis Locais 

• Uma área de memória reservada para o armazenamento de variáveis locais de um procedimento.
• Usam-se os registradores:
• LV (Local Variable)- para apontar para o endereço base das variáveis locais do procedimento corrente.
• SP (Stack Pointer)- para apontar para a palavra de mais alta ordem das variáveis do procedimento corrente. Aponta para o topo da pilha.
• As referências aos elementos da pilha são feitas por deslocamentos a partir do endereço de LV

A figura 4.8 exemplifica o funcionamento da PIlha após a chamada de vários procedimentos (A, B, C, D)

Figura 4.8 Uso da pilha para armazenar variáveis locais. (a) Enquanto A está ativo. (b) Após A ter chamado B. (c) Após B ter chamado C. (d) Após Ce B terem retornado e A ter chamado D

• Pilhas de Operandos 

• Uma área de memória reservada para o armazenamento de operandos durante a avaliação de uma expressão.
• A figura 4.9 ilustra o funcionamento da pilha de operandos para o cálculo da expressão: 

a1=a2+a3

Figura 4.9 Uso de uma pilha de operandos para execução de cálculos aritméticos

O Modelo de Memória da IJVM

• A arquitetura IJVM divide a memória nos seguintes espaços, ilustrado na figura  4.10

Figura 4.10 As várias partes da memória IJVM

1. O Pool de Constantes

• Não pode ser escrita pelos programas IJVM
• Contém constantes, strings e ponteiros para endereços de memória
• O registrador CPP (Constant Pool Pointer)aponta para a primeira palavra do pool de constantes

2. O Quadro de Variáveis Locais

• No início guarda valores dos parâmetros (argumentos) do procedimento chamado
• O registrador LV contém o endereço da primeira posição do quadro de variáveis locais

3. A Pilha de Operandos

• Fica imediatamente acima do quadro de variáveis locais
• O registrador SP 
• armazena o endereço do topo da pilha
• muda de valor durante a execução do procedimento

4. A Área do Procedimento

• Região de memória que armazena o programa
• O registrador PC (Program Counter)  aponta para o endereço da instrução que deve ser buscada em seguida.

• CPP, LV e SP apontam para palavras (4bytes cada palavra)
• PC aponta para bytes (cada instrução ocupa 1byte)

 

O Conjunto de instruções da IJVM

• A figura 4.11 mostra o conjunto de instruções da IJVM com seu código de operação(em hexa), seu mnemônico (na linguagem de montagem) e uma descrição dos efeitos dessa instrução

Fig 4.11 O conjunto de instruções IJVM. Os operandos byte, const e varnum tem todos 1byte. Já os operandos disp, indice e deslocamento têm 2 bytes.

 
Mecanismo usado para implementar uma chamada a procedimento (INVOKEVIRTUAL deslocamento , veja Figuras 4.12 e 4.13)  

1. Chamador coloca na pilha uma referência (ponteiro) para o objeto a ser chamado, identificado por OBJREF
2. Coloca parâmetros (Parameter 1, Parameter 2, ...) do procedimento na pilha
3. A instrução INVOKEVIRTUAL é, então, executada
4. As variáveis locais do procedimento são colocadas na pilha, sobre os parâmetros 
5. Os ponteiros PC e LV do chamador são salvos no topo da pilha
6. A execução da instrução IRETURN reverte as operações realizadas pela INVOKEVIRTUAL (veja figura 4.13)
7. A pilha retorna ao seu estado anterior, sem os parametros do procedimento, e os valores de LV e PC anteriores são recuperados
8. O valor de retorno do procedimento  é colocado no topo da pilha
   

Fig 4.12 (a) Memória antes da execução de INVOKEVIRTUAL. (b) Memória após a execução de INVOKEVIRTUAL

Fig 4.13 (a) Memória antes da execução do IRETURN. (b) Memória após a execução do IRETURN

Compilação da Linguagem JAVA para IJVM

    A Figura 4.14(a) mostra um fragmento de um programa JAVA.

    Quando esse código for entregue ao compilador JAVA, ele deve produzir um programa na linguagem de montagem da IJVM como mostrado em 4.14(b)

    O montador JAVA transforma o programa em linguagem de montagem para o programa binário (linguagem de máquina) mostrado na figura 4.14(c)

    O código compilado pode ser interpretado como:

• primeiro , j e k são colocados no topo da pilha (1 e 2)
• depois j e k são somados e guardados na variável i (3 e 4)
• depois o valor de i e o valor 3 são colocados na pilha
• esses valores são comparados e, se iguais, a execução é desviada para L1 (7)
• se valores são diferentes, o valor da variável j e o valor 1 são colocados na pilha (8 e 9)
• o valor de j é subtraido de 1 e armazenado na variável j (10 e 11)
  
• um desvio para um local L2 é executado (12)
  

i =j + k;             1       ILOAD j             //  i = j + k       Ox15 Ox02
if (i == 3)           2       ILOAD k                                   Ox15 Ox03
k= 0;                3       IADD                                         Ox60
else                   4       ISTORE i                                   Ox36 Ox01
j = j -1;             5       ILOAD i             // se (i ==3)      Ox15 Ox01
                         6       BIPUSH 3                                  Ox10 Ox03
                         7       IF_ICMPEQ L1                         Ox9F OxOO OxOD
                         8       ILOAD j             // j = j - 1         Ox15 Ox02
                         9       BIPUSH 1                                  Ox10 Ox01
                       10       ISUB                                          Ox64
                       11       ISTORE j                                   Ox36 Ox02
                       12       GOTO  L2                                 OxA7 OxOO OxO7
                       13 L1: BIPUSH 0        // k = 0              Ox10 OxOO
                       14       ISTORE k                                  Ox36 Ox03
                       15 L2:           
(a)                            (b)                                                (c)

Fig 4.14 (a) Fragmento de um programa JAVA. (b) O código correspondente na linguagem de montagem Java. (c) O progrma em IJVM codificado em hexadecimal


A pilha de operandos do programa IJVM acima é mostrada na figura 4.15

Figura 4.15 Estado da pilha após a execução de cada instrução do programa da Figura 4.14 (b)

Exercícios

1. A Fig. 4.2 mostra uma maneira de fazer com que A apareça na saída da UAL. Invente outra forma, diferente dessa.

2. O Mic-1 gasta 1 ns para carregar o MIR, 1 ns para habilitar um registrador para que este coloque seu conteúdo no barramento B, 3 ns aguardando a operação da UAL e do deslocador, e 1 ns para que os resultados se propaguem de volta aos registradores. O período do clock do Mic-1 é de 2 ns. Essa máquina pode rodar a 100 MHz? E a 150 MHz?

3. Na Fig. 4.6, o campo da microinstrução que controla o acesso ao barramento B está codificado em 4 bits, mas o campo do barramento C é controlado por um mapa de bits.* Explique por quê.

4. Na Fig. 4.6 existe uma caixa identificada como "Bit de mais alta ordem". Mostre como seria o circuito eletrônico para a implementação dessa função lógica.

5. Quando o campo JMPC de uma microinstrução é habilitado, o conteúdo do MBR passa pela função OR junto com o campo NEXT_ADDRESS, para formar o endereço da próxima instrução. Existe alguma circunstância na qual faz sentido o campo NEXT _ADDRESS ser igual a Ox1FF e usar JMPC?

6. Suponha que, no exemplo da Fig. 4.14(a), o comando
                                      i = O;
seja colocado após o comando if. Como seria o código em linguagem de montagem resultante dessa modificação? Considere que o compilador utilizado faz uma otimização do código gerado.

7. Considere o seguinte comando Java:
                           i = j + k + 4;
encontre duas traduções diferentes desse comando para a linguagem de montagem do IJVM.

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* O controle é feito por meio de um mapa de bits quando cada sinal de controle é representado por um bit na microinstrução. (NT.)

  

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Exercícios de CCI-3

Questões de CCI-3  - Lista 4 – 04/06/2003       Professor: Carlos A Felgueiras

1.  (LP) Cite e explique duas vantagens da programação através da linguagem C.
2.  (Juliano) O que é S.M.A.R.T?
3.  (Arquitetura de Computadores) Explique em qual critério a tecnologia de microarquitetura RISC é melhor que a CISC e porque a CISC não foi suplantada pela RISC.
4. (Arquitetura de Computadores) Descreva, resumidamente, as principais características dos barramentos ISA, PCI e USB.
5. (Pesquisa Operacional) Uma firma produz produtos de limpeza de automóvel X e polidor Y e obtém lucro de $20 em cada lote de X e $40 em Y. Ambos os produtos exigem um processamento pelas mesmas máquinas A e B, mas X requer 4 horas em A e 8 em B, ao passo que Y requer 6 horas em A e  4 em B. Durante a semana as máquinas A e B têm 12 e 16 horas de capacidade disponíveis, respectivamente. Considerando que exista demanda para ambos os produtos, quantos lotes de cada devem ser produzidos para obter o lucro ótimo Z ? Resolva pelo Método Simplex
6. (Kleber) Quais os outros recursos oferecidos pela linguagem SQL, além da consulta ao banco de dados?
7. (Banco de dados) Quais as características principais de um Sistema Gerenciador de Banco de Dados eficiente?
8. Elabore e responda uma questão, que você considera importante, relacionada com as matérias que você está cursando atualmente. Sua questão será compartilhada com os seus colegas de turma.

Observação: Esta lista de exercícios deve ser respondida e entregue ao professor até o dia 25/06/2003.

 

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