Arquitetura de Von Neumann e Componentes

III.2 - Princípios de Arquitetura
• Conjunto de Instruções e Modo de
Endereçamento
• Ciclo de busca – decodificação – execução
de instruções
• Programação de um processador
• Arquitetura de Von Neumann e
Componentes
• Arquiteturas 4, 3, 2, 1 e 0
• Tabela ASCII
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Conjunto de Instruções e Modo
de Endereçamento
III.2 - Princípios de Arquitetura
instrução: Conjunto de bits devidamente
codificados que indica ao computador que
sequência de microoperações ele deve
realizar.
Classificação: Semelhança de propósito e
formato. As mais comuns são:
• Transferência de dados
• Aritméticas e lógicas
• Teste de desvio
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Conjunto de Instruções e Modo de Endereçamento
III.2 - Princípios de Arquitetura
Conjunto de instruções: é o conjunto de
todas as instruções que um computador
reconhece e pode realizar (equivalente ao
conjunto de palavras reservadas e uma linguagem de
alto nível).
Programa: qualquer sequência finita de
instruções de um determinado conjunto
de instruções.
Modos de endereçamento: são as diversas
forma de endereço de um operando
somadas as diversas formas de desvio.
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Ciclo de busca – decodificação –
execução de instruções
III.2 - Princípios de Arquitetura
Busca: Leitura de uma instrução da memória.
Envolve:
• Copiar o apontador de programa (PC) para o
registrador de endereço de memória (REM);
• Leitura de uma instrução da memória (RDM);
• Copiar o registrador de dados da memória
(RDM) para o registrador de instruções (RI);
• Atualizar o apontador (PC).
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Ciclo de busca – decodificação – execução de instruções
III.2 - Princípios de Arquitetura
Decodificação: Determinar qual a instrução a
ser executada. A decodificação é feita
geralmente por lógica combinacional.
Execução: Depende de qual instrução a ser
executada.
•
•
•
•
•
•
Cálculo do endereço de operandos
Busca de operandos na memória
Seleção de operação da ULA
Carga de registradores
Escrita de operandos na memória
Atualização do PC para desvios
III.2 - Princípios de Arquitetura
M
0001
R D0000
M
R E0001
0000
PC
0001
0000
III.2 - Princípios de Arquitetura
0001
R 0000
I
N|Z
ULA
A
AC
Unidade de Controle
001110001100101010001
III.2 - Princípios de Arquitetura
B
C
Posição
Conteúdo
0000 0001
0001 0000
0000 0010
0000 1101
0000 0011
0010 0000
0000 0100
0000 1110
0000 0101
0011 0000
0000 0110
0000 1111
0000 0111
1111 0000
0000 1000
0000 0000
0000 1001
0000 0000
0000 1010
0000 0000
0000 1011
0000 0000
0000 1100
0000 0000
0000 1101
0000 0101
0000 1110
0000 0011
0000 1111
0000 0000
5
3
0
• Programação de um processador
III.2 - Princípios de Arquitetura
Linguagem de máquina: É uma imagem
numérica (binária) que representa a
codificação do conjunto de instruções
de um computador.
Programa objeto: São representados
e armazenados em linguagem de
máquina.
III.2 - Princípios de Arquitetura
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Programação de um processador
Devido à dificuldade do trabalho com esta
linguagem foram criados:
Mneumônicos associados às instruções:
Nomes dos operandos
Rótulos às posições
programa
ocupadas
pelo
Necessita de Tradução  Montagem
Montador: programa que realiza a montagem (Tradutor);
Compilador: gera rotinas em linguagem de máquina para
cada instrução.
III.2 - Princípios de Arquitetura
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
Um Computado de Primeira Geração: O EDVAC
(Eletronic Discrete Variable Computer)
No ENIAC os programas e
armazenados separadamente.
dados
eram
O conceito de programa armazenado é atribuído
ao matemático húngaro John von Neumann
(1903-1957). Isto caracteriza a possibilidade de
mudança das próprias instruções.
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
III.2 - Princípios de Arquitetura
Arquitetura do EDVAC.
• Programa armazenado
• Memória: 1024 palavras de 44 bits cada,
implementada através de linha de atraso
de mercúrio.
• 20 K palavras de memória secundaria
magnética.
• Representação interna em binário.
• Circuitos aritméticos binários seriais,
devido a entrada de dados serial.
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
III.2 - Princípios de Arquitetura
...Arquitetura do EDVAC.
Unidade
Central de
Processamento
Unidade
Lógica e
Aritmética
Memória
Principal
Unidade de
Controle de
Programa
III.2 - Princípios de Arquitetura
Unidades de
Memória
Secundárias
Teletipo
Leitora de
cartões
Impressora e
Perfuradora
de Cartões
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
III.2 - Princípios de Arquitetura
...Arquitetura do EDVAC.
Antes da execução do programa
 Colocação de todas as instruções e
dados na memória principal.
 Palavras de 44 bits permitem 4 campos
de 10 bits, um campo de 4 bits de
código de instrução.
 Capacidade de 16 instruções
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
III.2 - Princípios de Arquitetura
...Arquitetura do EDVAC.
Exemplo de Instrução Aritmética.
A1 A2 A3 A4 OP
• Executa OP conteúdos em posições cujos
endereços são A1, A2 e coloca o resultado
em A3.
• A4 especifica o endereço da próxima
instrução a ser executada.
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
III.2 - Princípios de Arquitetura
...Arquitetura do EDVAC.
Exemplo de Instrução Condicional
A1 A2 A3 A4 C
Se o conteúdo de A1 for maior que o
conteúdo de A2 então execute a instrução da
posição A3 se não, da posição A4.
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
III.2 - Princípios de Arquitetura
...Arquitetura do EDVAC.
Instrução de transferência de memória principal
para secundária.
A1 m,n A3 A4 OP
Significado:
m – modificador de operação
n – endereço do condutor
1. Se m=1 Transfira para o condutor n a sequência de palavras na
memória principal nas posições A1, A1+1, A1+2 .......,A3.
2. Se m=2 Transfira do condutor n a sequência de palavras para as
posições A1, A1+1, A1+2 .......,A3. na memória principal.
A4 endereço da próxima instrução.
Este computador ficou operacional em 1951.
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
III.2 - Princípios de Arquitetura
...Arquitetura do EDVAC.
Principais Inconvenientes
Tempo de acesso muito longo comparado ao
tempo de processamento da UCP. O que levou a
o chamado “gargalo de von Neumann”.
•Possíveis soluções
 Armazenar resultados na posição inicial de
um dos operandos.
 Destinar um endereço de memória para
armazenar o resultado de determinada
operação.
 Convencionar previamente o endereço da
próxima instrução.
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes
III.2 - Princípios de Arquitetura
Modelo de von Neumann: O computador IAS.
1946 (Princeton Institute for Advanced Studies)
Memória principal: Tubo de raios catódicos de
acesso randômico.
Instrução:
OP A
Arquitetura de um endereço
Blocos básicos
• UCP
• Unidade de controle de programa
• Memória principal de 4096 palavras de 40
bits: grava duas instruções de 20 bits ou
dados de 40 bits
• Unidade de E/S
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes ....O computador IAS
III.2 - Princípios de Arquitetura
AC–Acumulador na UCP –
atua como memória
rápida guardando os
resultados da ULA
MQ–Registrador Multiplicador quociente
DR-Registrador de dados de
40 bits
AR–Registrador de endereço
de 12 bits
IBR–Registra a instrução não
executada
imediatamente
PC – Registrador de endereço
IR–registra a instrução executada imediatamente.
Estrutura do IAS
III.2 - Princípios de Arquitetura
• Arquitetura de Von Neumann e Componentes ....O computador IAS
III.2 - Princípios de Arquitetura
Formato dos Dados
Binário, ponto fixo e complemento 2
01
39
primeiro bit é o de sinal
o ponto está implícito entre 0 e 1
Formato das instruções
0
78
operação
19 20
endereço
39
27 28
operação
endereço
há alterações em relação ao EDVAC
•Registradores pré-definidos na UCP
•Armazenamento sequencial do programa.
III.2 - Princípios de Arquitetura
•Arquiteturas 4, 3, 2, 1 e 0
4 endereços
III.2 - Princípios de Arquitetura
A=((B+C)*D+E-F)/(G*H)
OP E1 E2 E3 E4
E1 – fonte
e1 ADD B C A e2
E2 – fonte
e2 MUL A D A e3
E3 – destino
e3 ADD A E A e4
E4 – próxima inst.
e4 SUB A F A e5
e5 DIV A G A e6
e6 DIV A H A e7
e7 HALT
O quarto endereço é desnecessário pois os
programas eram escritos sequencialmente
III.2 - Princípios de Arquitetura
•Arquiteturas 4, 3, 2, 1 e 0
3 endereços
A=((B+C)*D+E-F)/(G*H)
OP E1 E2 E3
E1 – fonte
E2 – fonte
E3 – destino
e1 ADD B C A
e1+1 MUL A D A
e1+2 ADD A E A
e1+3 SUB A F A
e1+4 DIV A G A
e1+5 DIV A H A
e1+6 HALT
III.2 - Princípios de Arquitetura
III.2 - Princípios de Arquitetura
PC – criado para localizar a
próxima instrução
É necessário Jump–indica salto
Reduz o tamanho
da instrução mas
perde-se um grau
de liberdade
•Arquiteturas 4, 3, 2, 1 e 0
2 endereços
III.2 - Princípios de Arquitetura
A=((B+C)*D+E-F)/(G*H)
OP E1 E2
E1 – fonte/destino
E2 – fonte
e1 MOV A B
e1+1 ADD A C
e1+2 MUL A D
e1+3 ADD A E
e1+4 SUB A F
e1+5 DIV A G
e1+6 DIV A H
e1+7 HALT
III.2 - Princípios de Arquitetura
MOV – movimento de
memória
Evita-se a repetição do
destino.
•Arquiteturas 4, 3, 2, 1 e 0
1 endereços
III.2 - Princípios de Arquitetura
A=((B+C)*D+E-F)/(G*H)
E1 – memória
e1 LDA B
e1+1 ADD C
e1+2 MUL D
e1+3 ADD E
e1+4 SUB F
e1+5 DIV G
e1+6 DIV H
e1+7 STA A
e1+8 HALT
III.2 - Princípios de Arquitetura
OP E1
AC – Acumulador substitui
o fonte e o destino
LDA–move da memória
para o acumulador LoaD
STA–move do acumulador
para a memóriaSTore
Economia de acesso à memória
•Arquiteturas 4, 3, 2, 1 e 0
A=((B+C)*D+E-F)/(G*H)
0 endereços
OP
E1 – memória
Pilha
Equação escrita em
notação polonesa
reversa.
Equação fica:
HGFEDCB+*+-//
e1 PUSH H
e1+1 PUSH G
e1+2 PUSH F
e1+3 PUSH E
e1+4 PUSH D
e1+5 PUSH C
e1+6 PUSH B
III.2 - Princípios de Arquitetura
e1+7 ADD
e1+8 MUL
e1+9 ADD
e1+10 SUB
e1+11 DIV
e1+12 DIV
e1+13 POP A
e1+14 HALT
PUSH – colocar no topo da pilha
POP – enviar do topo da pilha para a memória
III.2 - Princípios de Arquitetura
Não há grande vantagem em relação a anterior
•Tabela Ascii
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III.2 - Princípios de Arquitetura
III.2 - Princípios de Arquitetura
III.2 - Princípios de Arquitetura