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Instruções: A Linguagem de Máquina – Aula 01

Professor: André Luis Meneses SilvaE-mail/msn: [email protected]

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Introdução

Organização de um computador. O processador MIPS. Instruções para soma e subtração. Registradores no MIPS. Instruções para transferência de dados. Endianness. Instrução para soma com constantes. Representação das instruções em linguagem

de máquina. Instruções para operações lógicas

Organização de um computador

Cinco componentes clássicos: Entrada Saída Memória Caminho de Dados Controle


Entrada: esta classe compreende componentes responsáveis pela entrada de dados no computador. Ex: Mouse, teclado, scanner

Saída: esta classe compreende os componentes responsáveis pela saída de dados do computador. Ex: Monitor, Impressora, etc.


Memória Área de armazenamento temporário, onde os

programas são mantidos quando estão sendo executados e que contém os dados necessários para os programas em execução.

Elas podem ser: Voláteis

Armazenamento que conserva os dados apenas enquanto estiver recebendo energia. Memórias DRAM, etc

Não voláteis Forma de memória que conserva os dados mesmo na

ausência de energia. Discos magnéticos, discos óticos, etc


Hierarquia de Memória: Registradores

Memórias muito rápida, pequenas, localizadas dentro do processador.

Memória Cache Memórias mais lentas que os registradores, mas ainda

assim possuem um bom desempenho. Em geral os processadores possuem dois ou mais níveis,

ambos no mesmo invólucro.


Hierarquia de Memória: Memória Principal

Memória volátil usada para armazenar programas enquanto estão sendo executados.

Memória Secundária Memória não-volátil usada para armazenar programas e

dados entre execuções.

Hierarquia de Memória

registradores

Memória cache

Memória Principal

Memória Secundária


Processador Caminho de dados: Componente responsável pela

realização de operações aritméticas. Controle: Comanda o caminho de dados, a memória

e os dispositivos de E/S de acordo com as instruções do programa.

O processador MIPS

As palavras da linguagem de um computador são chamadas de instruções e seu vocabulário é denominado de conjunto de instruções.

Embora o conjunto de instruções seja uma característica associada a arquitetura, em geral, o conjunto de instruções de diferentes arquiteturas são bastante similares. Isso acontece devido:

Aos projetos possuírem princípios básicos semelhantes

Algumas operações básicas devem ser oferecidas por todos os computadores.

O processador MIPS

Hoje e na próxima aula veremos o conjunto de instruções do processador MIPS.

Um pouco sobre o MIPS: Criado na década de 80 por John L.

Hennessy. Microprocessador bastante utilizado.

Em 2002, foram fabricados 100 milhões de unidades.

Encontrados em produtos de várias empresas. ATI, Broadcom, Cisco, NEC, Nintendo, Silicon

Graphics, Sony, Texas Instrument, Toshiba, etc.

O processador MIPS

Algumas Características Instruções simples, sempre realizando uma única

operação. As instruções possuem tamanho fixo de 32 bits. No total, o MIPS possui 32 registradores. Cada um deles,

de 32 bits. Estes 32 bits representam a palavra (word), ou seja, a

unidade de acesso natural de um computador. Em geral, o tamanho da palavra é de 32 bits, porém nos novos processadores como os Core2 Duo, esta palavra é de 64 bits.

Cada instrução MIPS sempre trabalha com 3 operandos. Esta característica torna o hardware mais simples.

Esta característica introduz o Princípio de Projeto 1 utilizado no desenvolvimento de hardware. É ele: “Simplicidade favorece a regularidade”

Instruções para soma e subtração

As instruções de adição e subtração do MIPS são, respectivamente: add e sub. Exemplos:

add a, b, c # A soma de b + c é colocada em a. sub a, b, c # A subtração de b - c é colocada em a. add a, a, c # A soma de a + c é colocada em a.

Como é compilada as seguintes instruções java? a = b + c; d = a - e;


add a, b, csub d, a, e

E no caso de uma atribuição mais complexa, como por exemplo? f = (g + h) – (i + j);


add a, b, csub d, a, e

E no caso de uma atribuição mais complexa, como por exemplo? f = (g + h) – (i + j);

Neste caso, é necessário gerar mais de uma instrução.

Temos também de utilizar variáveis temporárias.

Registradores no MIPS

Operandos do hardware de um computador Ao contrário dos programas nas linguagens de alto

nível, os operandos das instruções aritméticas são restritos. Os operandos de uma instrução aritmética são os

registradores. Lembrem-se que no MIPS só temos 32

registradores. Qual o motivo para termos uma quantidade tão

pequena de registradores?


f = (g + h) – (i + j); Assembly final:

add t0, g, hadd t1, i, jsub f, t0, t1

E aí pessoal, assembly é ou não é fácil?


Além de fatores ligados ao consumo de energia, complexidade do hardware e preço final do produto, também temos um outro fator, nosso Princípio de Projeto 2: “Menor significa mais rápido”

Uma quantidade muito grande de registradores pode aumentar o tempo do ciclo do clock, simplesmente porque os sinais eletrônicos levam mais tempo quando precisam atravessar uma distância maior. Cuidado. Em alguns casos ter mais registradores promove um

melhor desempenho. Em um projeto de hardware devemos sempre pesar o limite deste

número de registradores (ou seja, o momento em que não temos mais melhora de desempenho), bem como sua viabilidade.


Os nomes dos registradores MIPS obedecem ao seguinte padrão: Utilizamos “$” seguido por dois caracteres para

representar um registrador. $s0, $s1, $s2,... representam os registradores que

correspondem às variáveis dos programas em C e Java.

$t0, $t1, ... Representam os registradores que armazenam valores temporários.


Logo, para o programa anterior, teríamos: f = (g + h) – (i + j);

Assembly

add t0, g, hadd t1, i, jsub f, t0, t1

add $t0, $s1, $s2add $t1, $s3, $s4sub $s0, $t0, $t1


Pergunta: O processador MIPS possui apenas 32 registradores.

Como fazemos para trabalhar com variáveis complexas cuja quantidade de registradores do MIPS é insuficiente para armazená-las?

Instruções para transferência de dados

Utilizando a memória principal. Para realizarmos a transferência de um word da

memória para um registrador, utilizamos a instrução lw (load word). Sintaxe:

lw $r1, const($r2), $r1 é o registrador que armazena o conteúdo da memória. const representa um valor constante que é somado ao

endereço presente no registrador $r2.

A memória principal Cada endereço da memória

externa representam células de 8 bits (1 byte).

A instrução lw carrega um word da memória principal.

Logo, se dermos um lw no endereço 0, receberemos os dados do endereço 0, 1, 2 e 3.

Memória Principal

0123...9

1111231...13



Qual código assembly para o seguinte trecho de código, considere A um array de inteiros?g = h + A[8];


Qual código assembly para o seguinte trecho de código, considere A um array de inteiros?g = h + A[8];lw $t0,32($s3);add $s1,$2,$t0;

Porque 32?


Qual código assembly para o seguinte trecho de código, considere A um array de inteiros?g = h + A[8];lw $t0,32($s3);add $s1,$2,$t0;

Porque 32? Porque cada posição do array ocupa 1 palavra (4 bytes ou

32 bits). Lembrem-se que cada endereço sinaliza para uma célula de 1 byte apenas. Logo, para acessarmos o inteiro na posição 8, temos de pular os 8 inteiros que aparecem antes no array, assim temos: 4 * 8 = 32

Endianness

Grande parte dos processadores fazem restrição com relação ao endereço em que começam suas palavras. No Mips, por exemplo, suas palavras precisam

começar em endereços que sejam múltiplos de 4. Esse requisito é denominado restrição de

alinhamento. Com relação ao byte de endereçamento, os

processadores podem ser big endian ou little endian.

Endianness

Processadores Big-Endian numeram os bytes dentro de uma palavra (word) de forma que o byte com o valor mais baixo é o mais à esquerda.

Endianness

Processadores Little-Endian numeram os bytes dentro de uma palavra (word) de forma que o byte com o valor mais baixo é o mais à direita.


A instrução que desempenha função inversa ao load word (lw) é a instrução store word (sw).

Basicamente ela transfere o conteúdo de um registrador para um endereço específico da memória principal.

Sintaxe: Similar ao do lw.

sw $r1, const($r2)


Exemplo: A[12] = h + A[8];

lw $t0, 32($s3) add $t0, $s2, $t0sw $t0, 48, $s3;

Instrução para soma com constantes

addi (Adição Imediata). Para evitar o overhead de termos de ler uma constante

da memória para depois utilizá-la em uma soma, Mips dá suporte a uma instrução especial, o addi.

Basicamente, ela realiza uma soma com um valor constante. Sintaxe:

addi $r1, $r2, const # armazena o valor de $r2 + const no registrador $r1.

Essa instrução obedece ao princípio de projeto 3: “Agilize os casos mais comuns”

Realmente ele é um caso comum, pois soma com constantes representam um percentual bastante elevado do código. Lembrem-se que grande parte dos laços fazem uso desta

instrução.

Representação das instruções em linguagem de máquina.

Embora até o momento só termos visto instruções em assembly, cada uma destas instruções possui uma correspondência binária.

A estas instruções, em binário, damos o nome de linguagem de máquina.

Por exemplo a instrução add $t0, $s1, $s2 possui a seguinte representação:


Campos de uma instrução MIPS: Instruções tipo-R (de registrador) ou formato R

op: Operação básica da instrução (opcode) rs: registrador do primeiro operando de origem rt: registrador do segundo operando de origem rd: registrado do operando de destino shamt: “shift amount” (quantidade de deslocamento). funct: Função.


Campos de uma instrução MIPS: Instruções tipo-I (de imediato) ou formato I.

op: Operação básica da instrução (opcode) rs: registrador do primeiro operando de origem rt: registrador do segundo operando de origem constant or address: constante ou endereço de

memória.


Embora MIPS possua dois diferentes tipos de formato de instruções, percebam que a quantidade de bits é a mesma.

Isso caracteriza o Princípio de Projeto 4, que diz: “Um bom projeto exige bons compromissos”.

Instruções para operações lógicas

Operações Lógicas


Sintaxe de uso dos operadores de deslocamento (sll, slr). sll $t2, $s0, 4; # reg $t2 = $s0 << 4 bits. Para $s0 = 9, teríamos $t2 = 144;

Observem o correspondente em instrução de máquina. Vejam que o campo shamt é utilizado para sinalizar a quantidade de deslocamento


Sintaxe de uso dos operadores and, nor e or. and $t0, $t1, $t2 # reg $t0 = reg $t1 & reg $t2;

A sintaxe é a mesma para nor e or. Mips não possui uma instrução not. Tem como eu obter esta instrução a partir de

uma das instruções acima?


Sim, basta fazermos um nor entre o valor que queremos negar e um registrador que possua o valor 0.

or

=

not

Próxima aula

Instruções para tomadas de decisões; Funções; Endereçamento para operandos imediatos e

endereços de 32 bits.

Estudar.

Organização e Projeto de Computadores: Interface Hw/Sw Seções 2.1 até 2.5

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