Arquitetura

Sistemas Digitais

Prof. Gustavo Oliveira Cavalcanti

gustavooc@poli.br

Conteúdo Programático

(Organização e Arquitetura)

• Arquitetura e história dos microprocessadores;

• Representações binário, octal, Hexadecimal, ASCII; • Arquitetura de Von Neumann e Harvard;

• Modos de endereçamento direto, indireto, imediato.. • Tipos de instrução;

• Pilhas, subrotinas e interrupções; • Dispositivos de entrada e saída; • Arquiteturas RISC e CISC;

• Pipeline, Superpipeline e Superescalar; • Barramento USB: HID, CDC;

• Timers;

Bibliografia

• STALLINGS, WILLIAM, Arquitetura e Organização de Computadores. Prentice-Hall, 5. ed., 2007.

Introdução

Organização e Arquitetura

• Arquitetura

• Atributos de um sistema que são

visíveis ao programador.

• Organização

• Refere-se às unidades

operacionais e suas interconexões

que implementam as

• Funções básicas:

Organização e Arquitetura

• Tipos de Operações: – Transferência de Dados (a); – Armazenamento de Dados (b); – Processamento de Dados (c) e (d);

Organização e Arquitetura

Arquitetura von Neumann

• Conceitos:

– Dados e Instruções armazenados em uma mesma memória leitura/escrita; – Memória endereçada pela posição

independente do tipo de dados;

– A execução das instruções ocorre de modo sequencial (exceto quando a sequência é quebrada de forma

Arquitetura von Neumann

• Ciclo de Instrução;

• Busca:

– Instrução carregada no IR; – Incrementa o PC.

• Execução(Ações):

– Tranferência de dados (Processador – Memoria ou Processador – Disp. E/S) – Processamento (Função logica);

– Controle (desvio).

• A execução encerra quando:

– Máquina for desligada; – Erro irrecuperável;

– Execução de Instrução que para a operação.

• Exemplo: ADD B,A

– Instrução é buscada; – Busca A;

– Busca B;

– Soma os conteúdos;

– Salva o resultado em A.

• Diagrama de estados de um ciclo

de instrução.

• Interrupções:

execução.

• Classes de Interrupções:

– Software: Overflow, A/0, Ref. End. Inexistente...

– Relógio: Permite ao SO realizar certas funções;

– E/S: Controlador de E/S;

– Falha de Hardware: queda de energia, erro de paridade na memória

• Transferência de controle via

interrupção.

• Ciclo de Instrução com Interrupção.

• Diagrama de Transição de Estados

de um Ciclo de Instrução com

Interrupções.

• Múltiplas Interrupções:

– Desabilitar as demais interrupções

• Múltiplas Instruções:

– Definindo Prioridades nas Interrupções

• Funcionamento da E/S;

– O módulo de E/S pode trocar dados diretamente com o processador;

– Assim, o processador pode ler e escreve diretamente na E/S;

– Temos Instruções de E/S sendo executadas;

– A transferência da E/S pode ser feita diretamente para a memória;

– Assim o módulo de E/S envia comandos de leitura ou escrita

diretamente para a memória(DMA).

• Estruturas de Interconexão

(Processador – Memória – E/S);

• Barramentos:

– Meio físico compartilhado, colisão tem que ser evitada;

– Linhas de Controle, Dados e Endereço;

– Ainda podem existir linhas de energia.

• Principais linhas de Controle:

– Escrita na Memória; – Leitura na Memória;

– Escrita em porta de E/S; – Leitura de porta de E/S;

– Confirmação de Transferência (ACK); – Requisição de Barramento;

– Concessão de Barramento; – Requisição de Interrupção;

– Confirmação de Interrupção (ACK);

– Relógio (temporização das operações); – Inicialização (reset).

Organização e Arquitetura

• Desempenho do Barramento:

– Quanto mais dispositivos maior o

comprimento e maior o atraso (tempo para obter o barramento);

– O barramento pode se tornar um gargalo quando a demanda de transferência de dados se aproxima da capacidade

máxima;

• Aumento da largura do barramento;

• Porém como as taxas de transferências

crescem rapidamente um único barramento não resolverá.

• Múltiplos Barramentos (Tradicional)

• Múltiplos Barramentos (Alto

Desempenho)

• Arbitragem de Barramento:

– Centralizada: Controlador do

barramento/ árbitro pode ou não ser o processador;

– Distribuida: Não existe árbitro cada dispositivo contem uma lógica de acesso ao barramento

• Sistema Operacional

– Controla a execução de programas; – Gerenciar recursos;

– Escalonamento de processos;

• Quais processos devem ser executados; • Hardware interrompe a execução (time slot)

– Gerenciamento de memória;

• Dados podem exceder a capacidade da memória principal;

– O SO dispõe de suporte de hardware;

• Gerenciamento de memória virtual; • Gerenciamento de processos;

• Elementos de uma instrução de

máquina:

– Código de operação;

– Referência a operando origem e destino;

– Endereço da próxima instrução: implicito.

• Mnemônicos:

Organização e Arquitetura

LOAD Carrega dados da memória

STOR Armazena dados na memória

• ADD R,Y

• Adiciona o valor contido na

posição Y com o conteúdo do

registrador R.

• O conjunto de instruções de máquina deve ser suficiente para expressar

qualquer comando de uma linguagem de alto nível.

– Processamento de dados (instruções aritméticas e lógicas);

– Armazenamento de dados (instruções de memória);

– Movimentação de dados (instruções de E/S); – Controle (instruções de teste e de desvio).

• Número de Endereços na instrução

• Códigos para executar:

Y = (A-B) / (C+D x E)

• Utilização de endereços nas

instruções (exceto desvio)

• Questões importantes:

– Repertório de Operações (quantas, quais e quão complexas);

– Tipos de Dados (quais os tipos de dados estarão disponíveis);

– Formatos de Instrução (tamanho em bits,

número de endereço, tamanho dos campos); – Registradores (número de registradores, qual

o propósito de cada um);

– Endereçamento (de que modo ou modos o endereço de um operando é especificado).

Organização e Arquitetura

• Tipos de dados:

– Endereços (números inteiros sem sinal);

– Números (Inteiro ou ponto fixo, ponto flutuante, decimal-BCD);

– Caracteres (Texto / Seq .Caracteres ASCII-American Standard Code for Information Interchange);

– Dados Lógicos ( 1 bit – Dado Booleano verdadeiro ou falso –

Manipulação de bits de um dado ).

Organização e Arquitetura

• Tipos de Operações:

Organização e Arquitetura

Organização e Arquitetura

Projeto do conjunto de Instruções

• Controle de Sistema:

– Modificar conteúdo de registrador de controle;

– Modificar chave de proteção da memória;

– Usadas pelo S.O.

• Transferência de Controle;

– Desvio condicional (BRANCH); – Salto (JUMP);

– Chamada de

Organização e Arquitetura

Projeto do conjunto de Instruções

• Deslocamento:

– Lógico;

• Não preserva sinal;

– Aritmético;

• Preserva sinal;

• Rotação;

– Sem perda de bits; – Útil em testes.

• Código de condição:

– Bits de registradores especiais; – Usados em desvios condicionais.

Organização e Arquitetura

• Linguagem de Montagem

N = I + J + K

Organização e Arquitetura

• Modos de Endereçamento

Organização e Arquitetura

• Pipeline

Organização e Arquitetura

• Penalidade do desvio

Organização e Arquitetura

• MIPS (

= Microprocessador sem Estágios Interligados de Pipeline

)

Organização e Arquitetura

• Tipos de Instruções do MIPS

– Registrador – Registrador (R-Type); – Envolvendo Valor Imediato (I-Type); – Instruções de Desvio (J-Type).

• Simplicidade;

• Regularidade.

Organização e Arquitetura

Instrução Tipo – R

• op: opcode = Código de operação; • rs: primeiro operando (registrador); • rt: segundo operando (registrador); • rd: registrador de destino

• shamt: quantidades de bits a ser deslocado;

• funct: função específica a ser executada.

Organização e Arquitetura

Organização e Arquitetura

Projeto do conjunto de Instruções

Instrução Tipo – I

• op: opcode = Código de operação;

• rs: registrador base a ser operado com o valor imediato ou operando;

• rt: registrador de destino ou operando; • imediato: valor constante a ser operado.

Organização e Arquitetura

Projeto do conjunto de Instruções

Instrução Tipo – J

• op: opcode = Código de operação;

• endereço: endereço da instrução para a qual o fluxo deve ser desviado.

• Exemplos de Instruções

Organização e Arquitetura

• Exemplos de Instruções

Organização e Arquitetura

• Execução de Instruções no MIPS

Organização e Arquitetura