Conjunto de Instruções - DCA

EA960
Conjunto de Instruções
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Prof. Levy Boccato
Introdução
 Dois conceitos vão permear o estudo dos sistemas
computacionais durante este curso, viz., os de arquitetura
e organização.
 Arquitetura: refere-se aos atributos de um sistema que
são visíveis a um programador e/ou que possuem
impacto direto sobre a execução lógica de um programa.
 Organização: está associada às unidades operacionais (e
suas interconexões) que realizam as especificações
arquiteturais.
 Ou seja, os detalhes do hardware que são transparentes ao
programador fazem parte da organização do sistema.
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Introdução
 Arquitetura:
 Conjunto de instruções.
 Número de bits para representar diferentes categorias de
dados (e.g., números e caracteres).
 Mecanismos de entrada/saída.
 Modos de endereçamento suportados.
 Organização:
 Sinais de controle.
 Interfaces entre o computador e periféricos.
 Tecnologia de memória utilizada.
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Introdução
 Exemplo:
 A presença ou não de uma instrução de máquina de
multiplicação representa uma decisão de projeto
arquitetural.
 Considerações a respeito de como esta instrução será
implementada – se através de uma unidade de
multiplicação especial ou por meio de um mecanismo
que repetidamente utilize a unidade de adição do
sistema – fazem parte do projeto organizacional.
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Introdução
 Esta distinção conceitual se mostra importante até os dias de
hoje.
 Alguns fabricantes de computadores oferecem uma família de
modelos de computador, todos com a mesma arquitetura, mas
com diferenças nas respectivas organizações.
 Logo, os modelos desta família possuem diferentes características
de desempenho e preço.
 Aproveitamento de software: programas desenvolvidos em um
modelo mais barato e mais simples de uma família podem ser
utilizados nos modelos mais modernos.
 Exemplo: IBM System/370 (mainframes).
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Processador
 Começaremos nosso estudo lançando os olhares
para o processador.
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Programa Armazenado
 Fundamento: ideia de programa armazenado.
 Marca
da chamada arquitetura von Neumann
(EDVAC) e que apareceu de forma brilhante no
famoso trabalho de Alan Turing, intitulado “On
computable numbers, with an application to the
Entscheidungsproblem”, em 1936.
 1º
aspecto: instruções são representadas como
números à semelhança das variáveis manipuladas.
 2º aspecto: programas têm a capacidade de alterar de
maneira automática o conteúdo da memória em que
estão armazenados.
7
Programa Armazenado
 Visão geral do processador baseado na ideia de
programa armazenado.
8
Processador
 Mais especificamente, vamos tratar inicialmente de
um aspecto arquitetural do processador: o conjunto
de instruções – instruction set architectures (ISAs).
 Instrução de máquina: operação elementar que o
processador é capaz de realizar.
 Vamos considerar a arquitetura MIPS (32 bits) como
referência.
 Atrativo: uso do simulador QtSPIM, disponível em
http://spimsimulator.sourceforge.net/.
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Conjunto de instruções
 Definir o conjunto de instruções de um processador
está longe de ser uma tarefa trivial.
 Existem
várias escolhas que precisam ser
balanceadas de maneira adequada a fim de atender
múltiplos requisitos.
 Questões relacionadas:
 Número de instruções necessárias para executar um
programa.
 Número de ciclos de relógio exigidos por cada
instrução.
 Velocidade do relógio.
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Conjunto de instruções
 “The really decisive considerations from the present point
of view, in selecting an [instruction set], are more of a
practical nature: simplicity of the equipment demanded by
the [instruction set], and the clarity of its application to
the actually important problems together with the speed of
its handling of those problems.”
Burks, Goldstine e von Neumann, 1947
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Conjunto de instruções
 Operações aritméticas constituem uma porção bastante
comum em qualquer ISA.
 Exemplo: ADD a, b, c
# a = (b + c)
 Quantos operandos uma instrução deve ter?
 3 endereços: ADD a, b, c
 2 endereços: o resultado é armazenado em um dos operandos.
MOVE a, b #a = b
ADD a, c
#a = (a + c) = (b + c)
 1 endereço: somente um operando é explicitado; o resultado é
guardado em um local (registrador) específico.
LDA b
ADD c
STA a
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Conjunto de instruções
 Importante: a opção de projeto por uma máquina de
1, 2 ou 3 endereços tem implicações no tamanho de
cada instrução, no tamanho e inteligibilidade dos
programas preparados em linguagem simbólica
(Assembly), na velocidade, no custo, na configuração
de memória, etc.
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Conjunto de instruções
 Que tipos de operandos existem?
 Registradores: unidades de armazenamento situadas no próprio
processador; o acesso é o mais rápido em comparação às demais
estruturas de memória.
 Exemplo MIPS: add $s0, $t0, $t1
 Cada registrador é identificado unicamente por um número, o qual é
fornecido na(s) palavra(s) de memória que contém a instrução de
máquina.
 Número de registradores:
 Afeta o comprimento (em bits) dos campos de uma instrução que especificam
os operandos.
 Ao mesmo tempo, a presença de mais registradores significa maior
armazenamento em unidades de rápido acesso, não havendo necessidade de
usar a memória e/ou pilha (em chamadas de sub-rotinas).
 OBS: RISC e CISC
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Conjunto de instruções
 Que tipos de operandos existem?
 Memória: contém grandezas ligadas a estruturas de dados
mais complexas, e.g., vetores.
 Para a comunicação com a memória, existem instruções de
transferência de dados:

MIPS: lw $t0, 8($s3)
#carrega em $t0 a palavra armazenada
no endereço de memória $s3 + 8

MIPS: sw $t0, 16($s2)
#grava o conteúdo de $t0 no endereço
dado por $s2 + 16
 Arquitetura load/store: as instruções somente lidam com
valores que estejam nos registradores e sempre armazenam
resultados em algum registrador, como é o caso do MIPS.
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Conjunto de instruções
 Que tipos de operandos existem?
 Como o dado será armazenado na memória?
Registrador
Registrador
Memória
Memória
Big-endian
Little-endian
MIPS
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Conjunto de instruções
 Que tipos de operandos existem?
 Constantes / Imediatos: valores fixos (numéricos).

Exemplo MIPS: addi $s3, $s3, 10
$s3 = $s3 + 10
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Conjunto de instruções
 MIPS
 Utiliza instruções com 3 endereços.
 As instruções possuem tamanho fixo de 32 bits.
 Dispõe de um banco de 32 registradores de 32 bits.
OBS: Há também o program counter, PC, que contém o endereço da instrução atual.
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Conjunto de instruções
 MIPS
 Endereço: 32 bits – referente a byte.

Logo, se o registrador $t1 contém o endereço da primeira
palavra de um vetor, a próxima palavra está no endereço $t1
+ 4.
 Estas escolhas, bem como as que veremos mais
adiante, favorecem a regularidade do projeto deste
processador, contribuindo também para uma maior
simplicidade do hardware (e.g., para a decodificação
das instruções).
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Conjunto de instruções
 Como
representar
computador?
as
instruções
em
um
 Lembrar: cada instrução também é armazenada como uma série
de sinais elétricos binários (e.g., 0 V ou 5 V).
 Como interpretar esta sequência de dígitos binários?
op
rs
rt
rd
shamt
funct
6 bits
5 bits
5 bits
5 bits
5 bits
6 bits
op – opcode: identifica a operação básica.
rs – primeiro operando (registrador).
rt – segundo operando (registrador).
rd – registrador de destino (resultado).
shamt – shift amount: define o tamanho do deslocamento.
funct – function: especifica a versão ou variante da operação indicada em op.
TOTAL: 32 bits – mesmo tamanho de uma palavra de memória.
Formato R
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Conjunto de instruções
 Como
representar
computador?
as
instruções
em
um
 Lembrar: cada instrução também é representada como uma série
de sinais elétricos binários (e.g., 0 V ou 5 V).
 Como interpretar esta sequência de dígitos binários?
op
rs
rt
Constante / Endereço
6 bits
5 bits
5 bits
16 bits
Formato I
Limitado a valores entre ± 215
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Conjunto de instruções
 Como
representar
computador?
as
instruções
em
um
 A opção por múltiplos formatos de instrução tende a complicar a
construção do hardware e a decodificação.
 No
entanto, algumas partes de uma instrução têm suas
características preservadas, reduzindo a complexidade.



Os três primeiros campos dos formatos I e R são idênticos.
O tamanho do quarto campo do formato I ocupa o mesmo número de bits que
os últimos três campos do formato R.
As instruções continuam tendo o mesmo tamanho (32 bits), ainda que existam
diferentes formatos possíveis.
22
Conjunto de instruções
 MIPS (até o momento):
23
Conjunto de instruções
 Operações lógicas também são bastante frequentes nas ISAs.
Operação
C
MIPS
Shift left
<<
sll
Shift right
>>
srl
Bitwise AND
&
and, andi
Bitwise OR
|
or, ori
Bitwise NOT
~
nor
Para
manter
consistência
com o formato
de 3 endereços.
 Adotam o formato R e utilizam o campo shamt para informar
o tamanho do deslocamento (quando pertinente).
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Conjunto de instruções
 Um computador se distingue de uma simples calculadora por
causa de sua habilidade de tomar decisões.
 “The utility of an automatic computer lies in the possibility of
using a given sequence of instructions repeatedly, the number
of times it is iterated being dependent upon the results of the
computation  This choice can be made to depend upon the
sign of a number (zero being reckoned as plus for machine
purposes). Consequently, we introduce an [instruction] (the
conditional transfer [instruction]) which will, depending on
the sign of a given number, cause the proper one of two
routines to be executed.”
Burks, Goldstine e von Neumann, 1947
25
Conjunto de instruções
 Instruções de desvio condicionais / incondicionais:
 beq reg1, reg2, L1
 Desvia para a posição de memória rotulada como L1 caso o conteúdo
dos registradores seja igual.
 bne reg1, reg2, L1
 Desvia para a posição de memória rotulada como L1 caso o conteúdo
dos registradores não seja igual.
 j L1
 Desvia diretamente para a posição de memória indicada por L1.
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Conjunto de instruções
 Instruções de desvio condicionais / incondicionais:
 Complemento: slt $t0, $s3, $s4 – $t0 recebe 1 se $s3 < $s4.
 Esta instrução pode ser usada, juntamente com as anteriores, para
realizar saltos relativos às condições: menor, menor ou igual,
maior e maior ou igual.

Solução de compromisso para evitar o acréscimo de complexidade
que acompanha instruções como blt, ble, bgt e bge.
 Também há a instrução slti, para a comparação com uma
constante, bem como as versões sltu e sltiu, considerando
variáveis sem sinal (unsigned).
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Conjunto de instruções
 Outro recurso bastante utilizado por programadores /
compiladores está associado à noção de sub-rotina.
 Passos para a execução de uma sub-rotina:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Passagem de parâmetros.
Transferência do controle de execução.
Aquisição dos recursos de armazenamento necessários para o
procedimento.
Realização da tarefa desejada.
Armazenamento do resultado em local acessível ao programa
que chamou a sub-rotina.
Retorno à execução do programa original.
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Conjunto de instruções
 Convenção MIPS:
 $a0 - $a3: quatro registradores para a passagem de parâmetros.
 $v0 - $v1: dois registradores para retorno de resultados.
 $ra: registrador de endereço de retorno.
 Instruções adicionais:
 jal ROTINA

Desvia a execução para o endereço indicado por ROTINA e
automaticamente salva o endereço de retorno (PC + 4) em $ra.
 jr $ra

Desvia para a posição de memória indicada pelo registrador $ra –
implementa o retorno da sub-rotina.
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Conjunto de instruções
 E se o número de registradores para parâmetros e/ou
resultados não for suficiente? Além disso, a sub-rotina pode
modificar qualquer registrador sem maiores problemas?
 A arquitetura MIPS prevê a existência de uma pilha, a qual pode ser
usada como resposta a estas duas questões.
Endereços
maiores
Área
ocupada
$sp – stack pointer: aponta para a posição na pilha mais
recentemente ocupada.
$sp
Palavra
Endereços
menores
Tradicionalmente, a pilha cresce em direção aos
endereços menores. Por isso:
 Para guardar um valor na pilha, é preciso:
(1) decrementar $sp por 4;
(2) colocar na posição 0($sp) o valor desejado.
30
Conjunto de instruções
 E se o número de registradores para parâmetros e/ou
resultados não for suficiente? Além disso, a sub-rotina pode
modificar qualquer registrador sem maiores problemas?
 Exercício:

Rotina que recebe quatro números ($a0-$a3) e calcula a média
aritmética ($v0).
addi $sp, $sp, -12
sw $t1, 8($sp)
sw $t0, 4($sp)
sw $s0, 0($sp)
add $t0, $a0, $a1
add $t1, $a2, $a3
add $s0, $t0, $t1
srl $v0, $s0, 2
lw $s0, 0($sp)
lw $t0, 4($sp)
lw $t1, 8($sp)
add $sp, $sp, 12
jr $ra
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Conjunto de instruções
 No caso de sub-rotinas que chamam outras sub-rotinas ou que
são recursivas, é preciso tomar alguns cuidados adicionais:
 Salvar também o endereço de retorno ($ra) na pilha;
 Salvar o conteúdo dos registradores de passagem de parâmetros
($a0-$a3) na pilha antes de atualizá-los para a próxima chamada
de sub-rotina.
32
Conjunto de instruções
 Alocação de memória MIPS: convenção de software, não uma
parte da arquitetura MIPS.
33
Conjunto de instruções
 Formato das instruções de desvio
 Instruções de desvio condicional especificam dois registradores e
um endereço alvo.
 De forma predominante, os desvios condicionais são para
posições de memória relativamente próximas (para frente ou para
trás).
 Representação: equivalente ao formato I.
op
rs
rt
endereço
6 bits
5 bits
5 bits
16 bits
34
Conjunto de instruções
 Formato das instruções de desvio
 Observações:

O endereçamento é feito em relação ao PC.

Na verdade, depende do valor de PC + 4 (endereço da próxima instrução).

O endereço fornecido na instrução é interpretado como referente a
uma palavra. Logo, o offset efetivo (em bytes) em relação a (PC + 4)
contém 18 bits.

Exercício: qual o tamanho da região endereçável?

Para pensar: e se o branch condicional precisa alcançar uma posição
mais longe?
bne $s0, $s1, L2
J L1
beq $s0, $s1, L1
L2:
35
Conjunto de instruções
 Formato das instruções de desvio
 Instruções de desvio incondicional especificam diretamente o
endereço alvo.
 Representação: formato J.
op
endereço
6 bits
26 bits
 Observações:
 O endereço fornecido na instrução é interpretado como referente a uma
palavra. Logo, o endereço efetivo (em bytes) contém 28 bits.
 Como qualquer endereço deve ter 32 bits, os quatro bits que faltam são
obtidos do próprio PC.
 Endereço:
4 bits mais significativos do PC
28 bits do endereço fornecido na instrução

Exercício: qual o tamanho da região endereçável?
36
Conjunto de instruções
 O limite de 32 bits para uma instrução é interessante por manter a
simplicidade de projeto. Mas, às vezes, seria interessante poder ter
constantes e endereços maiores que aqueles delimitados pelos
respectivos campos de cada instrução.
 Como criar uma constante/endereço de 32 bits?
 MIPS oferece a instrução lui (load upper immediate), a qual segue o formato I.
 Exemplo: lui $s0, 0x0061

Os 16 bits especificados na instrução como um imediato serão colocados nos 16 bits mais
significativos do registrador $s0.
 Exercício: como podemos colocar o valor (em hexadecimal) 8fff 097b no
registrador $t0?
 OBS: registrador $at – separado para o montador MIPS criar valores
(constantes ou endereços) longos.
37
Conjunto de instruções
 Caracteres
 Representação clássica: código de 8 bits – ASCII
(American Standard Code for Information Interchange)
38
Conjunto de instruções
 MIPS
 Oferece instruções para a movimentação de bytes.
 lb (load byte): carrega um byte da memória e o coloca nos 8 bits menos
significativos de um registrador.

OBS: Há a versão sem sinal desta instrução - lbu
 sb (store byte): copia o byte menos significativo de um registrador em um
endereço de memória.
 UTF-16: 16 bits para representar os alfabetos de vários idiomas.
 MIPS também oferece instruções para a manipulação de conjuntos de 16 bits
(half-words).
 lh (load half-word): carrega meia palavra da memória e a coloca nos 16 bits
menos significativos de um registrador.

OBS: Há a versão que não faz a extensão de sinal – lhu (mais utilizada).
 sh (store half-word): copia os 16 bits menos significativo de um registrador em
um endereço de memória.
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Conjunto de instruções
 Modos de endereçamento
40
Uma breve história da computação
 A necessidade de calcular com precisão e rapidez
explica a adoção por parte dos humanos de
dispositivos auxiliares, entre os quais podemos
citar, inicialmente, o ábaco, utilizado por povos
de diferentes partes do mundo.
 Num período um pouco mais recente, surgiram
máquinas mecânicas de calcular, como aquelas
propostas por Wilhelm Schickard (1592 – 1635) e
Blaise Pascal (1623 – 1662).
 A máquina de Pascal (conhecida como Pascaline)
foi efetivamente preservada. Essa máquina
mecânica era capaz de realizar adições (inclusive
com transporte) e subtrações (utilizando um
sistema de complemento de 9).
41
Uma breve história da computação
 O grande Gottfried Leibniz (1646 – 1716) ampliou essas concepções
ao introduzir um projeto mais intrincado capaz de, mecanicamente,
realizar operações de multiplicação e divisão. Ele também é muito
lembrado por seu pioneirismo no uso do sistema binário de
numeração.
 Um salto nos leva até Charles Babbage (1791-1871), que concebeu o
engenho diferencial (differential engine), um dispositivo mecânico capaz
de construir tabelas de funções por meio do método das diferenças
finitas.
42
Uma breve história da computação
 Sua concepção posterior de engenho analítico se aproximaria ainda
mais do espírito das concepções do século XX, suscitando com mais
clareza a noção de uma máquina de propósito geral controlada por
um programa.
 Nesse contexto tecnológico dominado pela mecânica, a concepção
moderna de Babbage, que envolvia o uso de algum tipo de memória
para registro de instruções, beneficiou-se do uso, por parte de
Joseph-Marie Jacquard (1752-1834) de cartões perfurados para guiar
de maneira automatizada a operação de teares.
 Esta
máquina seria dotada de uma unidade central de
processamento capaz de escolher entre ações alternativas
dependendo dos resultados de eventos anteriores (um recurso
conhecido como branch condicional).
43
Uma breve história da computação
 Um passo tecnológico determinante foi a construção de circuitos
eletrônicos, primeiramente baseados em válvulas (tubos de vácuo) e,
posteriormente, em dispositivos semicondutores.
 Uma vantagem nítida dessa tecnologia com respeito ao uso de
estruturas eletromecânicas diz respeito ao “fator tempo”, já que o
chaveamento entre estados não envolve o movimento de partes
mecânicas.
 Esforços pioneiros:
 ABC – Atanasoff-Berry Computer
 Colossus – concebida no âmbito do esforço de guerra britânico (Bletchley
Park), com a participação de Alan Turing (1943).

Possivelmente o primeiro dispositivo eletrônico a funcionar com algumas
características que lembram as do computador – não era de propósito geral e não
possuía um programa armazenado.
44
Uma breve história da computação
 ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer):
 Concebido por J. Presper Eckert e
John Mauchly, da Moore School of
Electrical Engineering (University of
Pennsylvania).
Seu projeto foi
completado em 1945.
 Tratava-se de um computador de
“propósito geral” (programado pela
conexão direta de fios – não havia
programa armazenado), totalmente
eletrônico e efetivamente operacional.
 Dispunha de um leitor de cartões
perfurados e podia fornecer saídas nessa
forma ou por meio de uma inspeção
direta de lâmpadas que mostravam o
conteúdo de registradores.
 Adotava representação decimal para
os números manipulados.
45
Uma breve história da computação
 EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer):
 Esse projeto é crucial para que se
compreenda a estrutura de uma
máquina moderna, pois, nele, a
noção de programa armazenado se
consolida.
 Percebe-se,
ainda
que
de
maneira não declarada, uma forte
inspiração nas ideias de Turing.
 O documento “A First Draft of a
Report on the EDVAC” serviu para a
disseminação
do
que
ficou
chamado de arquitetura von
Neumann.
46
Uma breve história da computação
 ACE (Automatic Computing Engine):
 Proposta de Alan M. Turing para a
construção de um computador eletrônico.
 Turing
ofereceu
ricos
detalhes
relacionados ao projeto dos circuitos e à
especificação das unidades de hardware,
inclusive
mostrando
programas
preliminares em código de máquina.
 O documento “Proposal for Development in
the Mathematics Division of an Automatic
Computing Engine (ACE)”, republicado em
1946, representa a primeira especificação
quase completa de um computador
eletrônico digital de propósito geral com
programa armazenado.
 Interessante:
o projeto de Turing
mostrava
características
bastante
semelhantes às arquiteturas RISC.
47
Uma breve história da computação
 Baby (Manchester):
 Primeiro computador digital de
propósito geral com programa
armazenado
a
efetivamente
funcionar (21 de Junho de 1948).
 Construído
no Royal Society
Computing Machine Laboratory
na Universidade de Manchester,
pelos engenheiros F.C. Williams e
Tom Kilburn.
 O primeiro programa, armazenado
em um tubo de raios catódicos,
possuía
apenas
dezessete
instruções.
48
Exemplos
 Problema: computar o quociente e o resto referentes à divisão
inteira entre dois números contidos nos registradores $a0 e
$a1, respectivamente.
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Créditos
 Figuras extraídas de D. A. Patterson e J. L. Hennessy,
“Computer Organization and Design: The Hardware/Software
Interface”, Morgan Kauffman, 5ª edição, 2013.
http://textbooks.elsevier.com/web/product_details.aspx?isbn=9780124077263
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