organização de computadores - cuco.pro.brcuco.pro.br/ach2034/aula25.pdf · pop z // tira do topo...

1/92Rodrigo Hausen - OCD

Organização de Computadores

Aula 25Conjunto de Instruções:Características e Funções

Rodrigo Hausen

10 de novembro de 2011

http://cuco.pro.br/ach2034


Apresentação

● 1. Bases Teóricas● 2. Organização de computadores– ...– 2.4. Sistema de Memórias– 2.5. Subsistema de Entrada/Saída (I/O)– 2.6. Conjunto de Instruções

● Aula de hoje: Stallings (5a. Edição), Capítulo 9


Conjunto de Instruções

● “Fronteira” entre o projetista e o programador de uma máquina:

– Projetista: fornece os requisitos funcionais de uma CPU● quantos e quais registradores? quais operações na ULA?

qual organização da Unidade de Controle?– Programador: fornece o modo mais básico de interagir

com o hardware do computador● Nesse nível de programação, é necessário conhecer alguns

detalhes internos da máquina: conjunto de registradores, estrutura da memória, tipos de dados disponíveis diretamente na máquina, funcionamento da ULA, etc.


Que é Conjunto de Instruções?

● Operação de uma CPU é determinada pelas instruções (comandos) que ela executa, denominadas instruções de máquina ou instruções do computador.

● Coleção dessas diferentes instruções é chamada conjunto de instruções.


Anatomia de uma Instrução

1) Código de operação (opcode):– faça isto

2) Referência a operando fonte:– com este dado

3) Referência a operando de destino:– coloque o resultado aqui

4) Referência à próxima instrução– quando tiver terminado, vá para esta instrução...– na maioria dos casos, a próxima instrução é a que está no

endereço de memória seguinte (neste caso, não há uma referência explícita à próxima instrução)

– quando necessário, será fornecido o endereço de memória


Localizações de Operandos

● Operandos fonte e destino podem estar:– na memória

● referência fornecida por meio de um endereço– em um registrador da CPU

● se (geralmente) há vários registradores, instrução deve conter um número que identifique o registrador

– em um dispositivo de I/O● se for usada I/O mapeada em memória, a identificação

desse operando será feita por meio de um endereço de memória


Representação das Instruções

● Em código de máquina, cada instrução é representada por um padrão de bits único.

– P. ex. no computador IAS, cada instrução era representada por uma palavra de 20 bits

Opcode: Significado:000000001 Transfere o conteúdo de um endereço

de memória para o acumulador001000001 Transfere o conteúdo do acumulador para

um endereço de memóriaetc.

0111219opcode referência a operando


Representação das Instruções

● Para uso por humanos, é adotada uma representação mais palatável: cada opcode é representado por um mnemônico, uma abreviação que representa o significado da operação.

– Mnemônicos usados para programar o computador IASOpcode: Mnem. Significado:000000001 LOAD Transf. o conteúdo de um endere-

ço de memória para o acumulador001000001 STOR Transf. o conteúdo do acumulador

para um endereço de memória– Operandos podem ser representados desta maneira:

000000001000110100001 = LOAD M[3A1]


Programando a Máquina

● Considere uma instrução em uma linguagem de alto nível, por exemplo, C:X = X + Y

● Como fazer com instruções de máquina?




● Como fazer com instruções de máquina?● Suponha que o conteúdo das variáveis X e Y estão,

armazenados, respectivamente, nos ends. 513 e 514.




● Como fazer com instruções de máquina?● Suponha que o conteúdo das variáveis X e Y estão

armazenados nos ends. (513)16 e (514)16 respectivamente● Primeiro, transforme em operações básicas da máquina1. Carregue o conteúdo do end. 513 em um registrador2. Adicione o conteúdo do end. 514 ao registrador3. Armazene o conteúdo do registrador no end. 513

● Depois, traduza para mnemônicos da máquina● Por último, transforme em linguagem de máquina


Programando a Máquina● Primeiro, transforme em operações básicas da máquina1. Carregue o conteúdo do end. (513)16 em um registrador2. Adicione o conteúdo do end. (514)16 ao registrador3. Armazene o conteúdo do registrador no end. (513)16



● Depois, traduza para mnemônicos da máquinaLOAD M[513]ADD M[514]STOR M[513]



● Depois, traduza para mnemônicos da máquinaLOAD M[513]ADD M[514]STOR M[513]

● Por último, transforme em linguagem de máquina000000010101000100110000010101010001010000100001010100010011

5 1 3 em hexadecimal


Tipos de Instruções

● Quais tarefas são necessárias para processar dados? Precisamos implementar instruções para elas.

● Tipos de instruções:– Processamento de dados: instr. aritméticas e lógicas– Armazenamento de dados: instruções de memória– Movimentação de dados: instruções de entrada/saída– Controle de fluxo: instruções de teste e desvio


Número de Endereços

● No máximo, precisaríamos de 4 endereços para cada instrução:

– 2 operandos, 1 resultado, endereço da instrução seguinte– precisa de palavras muito longas– não é muito comum

● Na prática, há instruções com 1, 2 ou 3 endereços. Endereço da próxima instrução geralmente é dado pelo PC (implícito na instrução).


Três Endereços

● SUB X, Y, ZSubtrai Z de Y e coloca o resultado em X, denotado como X ← Y − Z

● Operando de destino, operando fonte 1, operando fonte 2● Não é comum, por precisar de palavras muito longas para

representar as instruções● Usado nos conjuntos de instrução MIPS32 e MIPS64

para as instruções de soma e subtração (neste caso, operandos são apenas registradores)


Dois Endereços

● SUB X, YSubtrai Y de X e coloca o resultado em X, denotado como X ← X − Y

● Uma referência serve como operando fonte e como destino.

● Reduz tamanho da instrução● Requer trabalho maior dentro do processador:– armazenamento temporário de alguns resultados

● Quase todas as arquiteturas possuem instruções com 2 endereços.

● Usado no conjunto de instruções IA-32 (Intel 32 bits) para as operações aritméticas


Um Endereço

● SUB XSubtrai X de quem?

● Segundo endereço implícito, geralmente um registrador especial chamado acumulador (AC)

● SUB X, geralmente, subtrai X do acumulador, colocando o resultado no acumulador: AC ← AC − X

● Comum nas primeiras máquinas (IAS)


Comparação entre 3, 2, 1 Endereços

● Programa para calcular Y = (A − B) / (C + D × E)


Zero Endereço?

● Todos os operandos são implícitos

● Usa uma pilhapush X // coloca X no topo da pilhapush Y // coloca Y no topo da pilha, acima de Xsub // subtrai os dois elementos superiores da pilha e // coloca o resultado no topo pop Z // tira do topo da pilha, coloca em Z

● Usado em máquinas de pilha, como a máquina virtual Java.


Quantos Endereços?● Mais endereços:– Instruções mais complexas (mais poderosas?)– Necessita de mais registradores– Operações entre registradores mais rápidas– Menos instruções por programa, menos buscas de

instrução à memória

● Menos endereços:– Instruções mais complexas (menos poderosas?)– Mais instruções por programa, mais buscas de

instrução à memória– Para cada instrução, subciclo de busca e execução

mais rápido


Projeto do Conjunto de Instruções● Repertório de Operações– Quantas? O que elas podem fazer? Quão complexas?

● Tipos de dados– inteiros? ponto flutuante? string?

● Formato das instruções– Qual tamanho do opcode? Quantos endereços?

● Registradores– Número de registradores disponíveis? Qual o propósito de

cada um?● Endereçamento (cap. 10)– Direto, indireto, operando imediato, etc.

● Afeta diversos aspectos do sistema: complexidade, desempenho, ...


Repertório de Operações● Vale mais a pena projetar um processador com um

conjunto rico e diversificado de instruções...

OU

um processador simples, com instruções simples, onde cada uma delas é executada de maneira bem rápida?

● CISC = Complex Instruction Set Computer versusRISC = Reduced Instruction Set Computer


Tipos de Operandos

● Endereços● Números:– inteiro com sinal, inteiro sem sinal, ponto flutuante, etc.

● Caracteres– padrão ASCII, EBCDIC, etc.

● Dados lógicos– Bits ou flags (conjunto de bits de estado)

● O mesmo dado pode ser tratado como de um tipo ou de outro. O “tipo” é determinado pela operação efetuada sobre ele.


Tipos de Operações

● Transferência de dados● Aritméticas● Lógicas● Conversão de formatos● Entrada/Saída● Controle do Sistema● Transferência de Controle


Transferência de Dados● Necessário especificar:– Fonte– Destino– Quantidade de dados– Modo de endereçamento

● Fonte e/ou destino podem ser: memória, registrador ou topo da pilha

● Alguns dos parâmetros acima podem ser implícitos.Ex.: em assembly IA-32

– push eax: empilha o conteúdo do registrador eax (32bits)

Tipos de Operações:


Aritméticas● Soma, subtração, multiplicação, divisão● Invariavelmente, há operações para inteiros com sinal

(geralmente representados em complemento a dois)● Muitas vezes, também há operações para ponto flutuante

(Nem sempre! Antes do Pentium, os processadores da Intel possuíam versões com e sem operações para ponto flutuante.)

● Outras operações relativamente comuns:– valor absoluto |X|, inverso aditivo −X, incremento X++,

decremento X−−● Escolha das operações e formatos de representação de

números afetam o projeto da ULA



Lógicas● AND, OR, NOT, XOR, etc... lógicos

● Igualdade

● Operações bitwise: bitwise AND, OR, NOT, etc.

● Deslocamentos e rotações (próx. slide)



obs.: presumerepresentaçãoem complementoa dois


de Conversão● Ex.: conversão de binário para BCD (decimal codificado

em binário) empacotado, inteiro sem sinal

● ASCII EBCDIC, inteiro ponto flutuante, etc.↔ ↔


0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 = 1978

para BCD empacotado

0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0

1 9 7 8


de Entrada/Saída● Com I/O mapeada em memória não existe a necessidade

de instruções específicas de entrada/saída– podem ser realizadas usando-se instruções de transferência

de dados

● Pode haver instruções específicas

● Podem ser feitas por um controlador específico (DMA, canais de I/O)



para Controle do Sistema● Instruções privilegiadas: podem permitir/negar acesso a

determinadas áreas de memória, registradores, dispositivos, etc.

● Só podem ser executadas caso a CPU esteja em um estado específico: kernel mode ou “ring 0” (IA-32)

● Geralmente, reservadas para uso pelo Sistema Operacional



para Transferência de Controle● Desvio incondicional– desvie a execução para o endereço X (PC ← X)

● Desvio condicional– ex.: desvie a execução para o endereço X se o resultado da

última operação aritmética foi zero● Salto– ex.: incremente o valor do registrador e pule a próxima

instrução se o valor for diferente de zero● Chamada a uma subrotina ou procedimento– compare com: chamada a handler de interrupção



Desvios: Exemplo

BRanch if Zero

BRanch if Equal


Chamada a SubrotinasEndereços Memória Principal 4000 ___________ ___________ 4100 CALL 4500 ___________

4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Programaprincipal

Primeirasubrotina

Segundasubrotina



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Programaprincipal

Primeirasubrotina

Segundasubrotina


Uso da PilhaEndereços Memória Principal 4000 ___________ ___________ 4100 CALL 4500 ___________

4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:conteúdoinicial

dados rel.prog. princ.



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:em CALL 4500


4101 empilha PC+1(end. de retorno)



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:após CALL 4500antes CALL 4800


4101

dados rel.proc. 1



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:em CALL 4800


4101

empilha PC+1(end. de retorno)dados rel.

proc. 1

4601



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:após CALL 4800antes RETURN


4101

dados rel.proc. 1

4601

dados rel.proc. 2



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:em RETURN


4101

dados rel.proc. 1

4601 ← será novo valor do PC

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:após RETURNantes CALL 4800


4101

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:em CALL 4800


4101

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

empilha PC+1(end. de retorno)

4651



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:após CALL 4800antes RETURN


4101

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

4651

dados rel.proc. 2



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:em RETURN


4101

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1




4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:após RETURNantes RETURN(para prog. principal)


4101

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1

dados rel.proc. 1



4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:em RETURN(para prog. principal)





4500 ___________ ___________ 4600 CALL 4800 ___________ 4650 CALL 4800 ___________ RETURN

4800 ___________ ___________ ___________ ___________ RETURN

Pilha:após RETURN(para prog. principal)



Passagem de Parâmetros

● A pilha também pode ser usada para passagem de parâmetros

● Do mesmo modo, também pode ser usada para valores de retorno de funções

● Ex.: implementar subrotina que faça o equivalente aint soma(int a, int b){ return a+b;}


Passagem de Parâmetros End. Mem. Principal início: 4000 PUSH 0000 4001 PUSH a 4002 PUSH b 4003 CALL 4500 ... …

soma: 4500 incrementa SP 4501 MOV R2, [SP] 4502 incrementa SP 4503 MOV R1, [SP] 4504 ADD R1, R2 4505 incrementa SP 4506 MOV [SP], R1 4507 decrementa SP 4508 decrementa SP 4509 decrementa SP 450A RETURN

Programaprincipal

Subrotinasoma

reserva espaçopara valor de retornona pilha

coloca parâmetrospara subrotina somana pilha


Passagem de Parâmetros End. Mem. Principal início: 4000 PUSH 0000 4001 PUSH a 4002 PUSH b 4003 CALL 4500 ... …


Programaprincipal

Subrotinasoma

obtem segundoparâmetro

obtem primeiroparâmetro

coloca resultadona pilha

volta end. de retornop/ topo da pilha


0000


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2

Pilha (Mem. principal)

FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD ????FFFE ????FFFF ????

4000 ???? ????

...

...

End. Mem. Principal início: 4000 PUSH 0000 4001 PUSH a 4002 PUSH b 4003 CALL 4500 ... …



0000


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD ????FFFE ????FFFF ????

4000 ???? ????

...

...

← SP




FFFF


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD ????FFFE ????FFFF 0000

4000 ???? ????

...

...

← SP




FFFF


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD ????FFFE ????FFFF 0000

4001 ???? ????

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD ????FFFE a FFFF 0000

4001 ???? ????

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD ????FFFE a FFFF 0000

4002 ???? ????

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD b FFFE a FFFF 0000

4002 ???? ????

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD b FFFE a FFFF 0000

4003 ???? ????

...

...



← SP


FFFC


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC 4004FFFD b FFFE a FFFF 0000

4003 ???? ????

...

...



← SP


FFFC


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4500 ???? ????

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4500 ???? ????

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4501 ???? ????

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4501 ???? b

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4502 ???? b

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4502 ???? b

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4503 ???? b

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4503 a b

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4504 a b

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4504 a+b b

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4505 a+b b

...

...



← SP


FFFF


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4505 a+b b

...

...



← SP


FFFF


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4506 a+b b

...

...



← SP


FFFF


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC 4004FFFD b FFFE a FFFF a+b

4506 a+b b

...

...



← SP


FFFF


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4507 a+b b

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4507 a+b b

...

...



← SP


FFFE


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4508 a+b b

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4508 a+b b

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4509 a+b b

...

...



← SP


FFFC


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



4509 a+b b

...

...



← SP


FFFC


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2



450A a+b b

...

...



← SP


FFFD


PC

Registradores (CPU)

SP R1 R2


FFFA ????FFFB ????FFFC ????FFFD b FFFE a FFFF a+b

4004 a+b b

...

...



← SP


Em Assembly IA-32 _start: push 0x00000000 ; deixa espaço na pilha (32 bits) push 0xAAAAAAAA ; coloca A na pilha (em 32 bits) push 0xBBBBBBBB ; coloca B na pilha (em 32 bits) call soma add esp, 8 ; “pula” argumentos na pilha pop eax ; coloca resultado no acumulador ... soma: add esp, 4 ; move o apont. pilha 4 bytes p/ baixo mov ebx, [esp] ; coloca 2o param. em ebx add esp, 4 mov eax, [esp] ; coloca 1o param. em eax add eax, ebx add esp, 4 mov [esp], eax ; coloca resultado na pilha sub esp, 12 ; restaura apont. pilha p/ pos correta ret


Em Assembly IA-32

soma: push eax ; guarda valor de eax push ebx ; guarda valor de ebx add esp, 12 ; move apont. pilha 12 bytes p/ baixo mov ebx, [esp] ; coloca 2o param. em ebx add esp, 4 mov eax, [esp] ; coloca 1o param. em eax add eax, ebx add esp, 4 mov [esp], eax ; coloca resultado na pilha sub esp, 12 ; restaura apont. pilha p/vals. guardados pop ebx ; restaura valor de ebx pop eax ; restaura valor de eax ret

● A subrotina anterior tem o inconveniente de sobrescrever os conteúdos de 2 registradores. Podemos guardá-los na pilha!


● A subrotina anterior tem o inconveniente de sobrescrever o conteúdo de 2 registradores. Podemos guardar o seu conteúdo na pilha!

organização de computadores - cuco.pro.brcuco.pro.br/ach2034/aula25.pdf · pop z // tira do topo...

Documents