Nível da Arquitetura do
Conjunto das Instruções
(Aula 13)
Fluxo de Controle
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Fluxo Seqüencial de Controle e Desvios
Fluxo de Controle: É a seqüência na qual instruções são
dinamicamente executadas
Isto é, a ordem na qual instruções são executadas no decorrer da
execução de um programa.
A execução da maioria das instruções não altera o fluxo de
controle.
(1)
Em um fluxo de controle normal as instruções são buscadas em
palavras consecutivas da memória
Após a execução de uma instrução, a próxima instrução é buscada
na memória, incrementando o PC
O registrador PC é acrescido de n
n = tamanho da instrução que acabou de ser executada
O valor do PC é praticamente uma função linear do tempo
2
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Fluxo Seqüencial de Controle e Desvios
(2)
Quando existem desvios,
o valor do PC não é mais
uma função monótona do
tempo!
Desvios
Tempo
Tempo
Variação do PC em função do tempo (a) sem desvios e (b) com desvios
3
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Fluxo Seqüencial de Controle e Desvios
Situações em que há que alteração do fluxo de controle de
um programa
(3)
Uso de instruções de desvios (jumps)
Chamadas a procedimentos (ex.: CALL)
Interrupções e traps
Por exemplo, procedimento corrente pára de ser executado
e se inicia a execução de um novo procedimento
Quando ocorre um desvio em um programa a próxima
instrução a ser buscada não é mais a instrução na posição
consecutiva da memória ...
... E sim a instrução armazenada no endereço de destino do desvio.
4
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimentos
(1)
Procedimento é uma seqüência de instruções que
pode ser executada várias vezes a partir de
diferentes partes de um programa
Procedimento X Desvio
O procedimento, quando termina sua tarefa, retorna o
controle para o comando ou instrução seguinte à
instrução de chamada.
5
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimentos
(2)
CALL: Recebe como parâmetro
o endereço da primeira
instrução do procedimento.
• A execução da chamada
desvia o fluxo de controle para
a primeira instrução do
procedimento.
6
RET: última instrução do procedimento
Sua execução desvia o fluxo para a
instrução seguinte à chamada corrente
do procedimento correspondente.
a
Prof
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimentos
(3)
Para poder retornar, é preciso armazenar o endereço de
retorno do procedimento em algum lugar.
A pilha é o lugar mais indicado para armazenar o endereço
de retorno
Permite implementar
procedimentos.
procedimentos
7
que
chamam
outros
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimentos
(4)
Pilha
Variáveis Locais: São variáveis que podem ser
acessadas de dentro de procedimentos, mas deixam de
ser visíveis (acessíveis) quando houver o retorno do
procedimento.
Não é viável armazenar variáveis locais em endereços
absolutos. Há problemas em chamadas recursivas!
Pilha: Uma área na memória reservada para o
armazenamento de
variáveis locais
endereço de retorno
parâmetros de um procedimento
(pode armazenar outras informações).
8
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimentos
(5)
Pilha
Quadro
Para
cada
novo
procedimento
chamado, é criado um Quadro no
topo da pilha.
Para a manipulação da pilha, em
geral, existem dois ponteiros:
SP – Stack Pointer (Aponta para o topo
da pilha)
Na arquitetura Intel: ESP (Stack Pointer)
FP – Frame Pointer (Apontador de
Quadro – Aponta para a base do Quadro
corrente).
Na arquitetura Intel: EBP (Base Pointer)
9
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimentos
(6)
void main (){
printf (“COMEÇO”);
func (3,1,3);
printf (“FIM”);
}
void func (int n, int i, int j){
int k = n – 1 ;
if ( k > 1 ) {
func (k , i , j);
} else
printf (“Ultimo FUNC”);
}
10
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
Procedimento Recursivo
(1)
Procedimento que pode chamar a si próprio
(de maneira direta ou indireta).
Destacável, pois ajuda no entendimento da
mecânica de implementação de chamadas a
procedimentos e ilustra o papel das variáveis
locais.
Torres de Hanói
Problema simples, mas ajuda a ilustrar o
conceito de recursão.
11
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(2)
Torres de Hanói
Em um certo mosteiro na cidade de Hanói, foram encontradas três hastes
de ouro.
Em torno da primeira haste havia um conjunto de 64 discos de ouro, cada
um deles com deles com um buraco no centro, que permitia que eles
fossem inseridos em qualquer das hastes.
Cada um desses discos tinha um diâmetro ligeiramente menor do que
aquele que estava encaixado na posição imediatamente abaixo da ocupada
por ele.
A segunda e a terceira hastes estavam inicialmente vazias.
Os monges do mosteiro gastavam grande parte do seu tempo transferindo
todos os discos da primeira para a terceira haste, um disco de cada vez,
mas de maneira que nunca um disco maior ficasse em cima de um
menor.
A segunda haste é usada como um caminho intermediário dos discos que
saem da primeira para a terceira haste
Os monges afirmavam que, quando terminassem a transferência, o mundo
iria acabar!
12
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(3)
Torres de Hanói (cont.)
Haste 1
Haste 2
Para n = 5 discos
13
Haste 3
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(4)
A solução para 3 discos (da haste 1 p/ a 3)
Haste 1
Haste 2
14
Haste 3
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(7)
Torres de Hanói (cont.)
A solução para o problema de mover n discos da haste
número 1 para a haste número 3 consiste em
primeiro mover n – 1 discos da haste 1 para a haste 2,
depois, mover 1 disco da haste 1 para a haste 3,
então, mover n – 1 discos da haste 2 para a haste 3
15
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
Torres de Hanói (cont.)
16
(8)
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
Torres de Hanói (cont.)
17
(9)
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(10)
Torres de Hanói (cont.)
Para resolver o problema, define-se um procedimento
para mover n discos da haste i para a haste j :
towers(n, i , j)
Se o valor de n for 1, a solução é trivial movendo um
disco da haste i para a haste j.
Se n for diferente de 1, a solução é dividida em três
partes, cada uma com uma chamada recursiva.
towers (n-1, i , k)
towers (1, i , j)
towers (n-1, k , j)
18
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento
Recursivo (11)
Torres
de
Hanói
(cont.)
towers(3, 1, 3)
towers(2, 1, 2)
towers(1, 1, 3)
towers(2, 2, 3)
19
Profa Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(12)
Torres de Hanói (cont.)
towers(1, 1, 3)
towers(2, 1, 2)
towers(1, 1, 2)
towers(1, 3, 2)
towers(3, 1, 3)
towers(1, 1, 3)
towers(1, 2, 1)
towers(2, 2, 3)
towers(1, 2, 3)
towers(1, 1, 3)
20
Procedimento Recursivo
(13)
Torres de Hanói (n inicial sendo 3)
Suponha a chamada torres(3, 1, 3). Outras 3 chamadas são geradas:
torres(2, 1, 2); torres(1, 1, 3); torres(2, 2, 3)
21
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(14)
Torres de Hanói
Qual será o impacto das chamadas towers(...) na pilha?
Assuma uma palavra de 32 bits e uma célula de 1 byte.
Cada chamada a towers(...) implica na criação de um quadro na
pilha
Cada quadro contém (neste ordem)
Os parâmetros passados à chamada
O endereço de retorno da chamada
O valor do FP antigo
As variáveis locais
O quadro mais recente é o quadro corrente
A pilha cresce para cima (dos endereços de memória baixos
para os endereços altos)
22
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(15)
Torres de
Hanói
towers(1,1,3)
towers(1,1,2)
towers(2,1,2)
towers
(3,1,3)
23
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Procedimento Recursivo
(16)
Torres de Hanói
Cada chamada a procedimento adiciona um novo
quadro à pilha e cada retorno de procedimento remove
um quadro da pilha.
A primeira chamada a torres coloca na pilha os valores
de n, i e j, e depois executa a instrução CALL, que:
coloca o endereço de retorno na pilha
armazena o valor antigo de FP na pilha,
copia o conteúdo de SP em FP (incrementado de 4)
avança o ponteiro de topo de pilha (SP) de maneira a alocar a
memória para as variáveis locais
SP = SP + [tamanho do quadro]
O tamanho do quadro depende da quantidade de parâmetros e
de variáveis locais do procedimento
24
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Exemplo Detalhado:
Torres de Hanói
Para casa: página 241 do livro
texto. (Fig. 5.36)
25
Profa Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Traps
Uma Trap é uma chamada automática de procedimento
(1)
Causada pela ocorrência de alguma condição especial (exceção) na
execução de um programa
Detectada pelo hardware ou pelo microprograma
Também pode ser chamada de Exceção (Exception)
Durante a execução de um programa, uma trap pode ser
gerada, por exemplo, quando ocorre um:
Overflow em operações aritméticas inteiras e de ponto flutuante
Violação de proteção de memória
Estouro de capacidade da pilha
Divisão por zero
etc.
26
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Traps
(2)
Quando há a ocorrência de uma trap, o fluxo de
controle é alterado para uma posição fixa da
memória
Nesse endereço fixo, há uma instrução de desvio
para um Procedimento de Tratamento do
Trap
Este procedimento (ou rotina) executa as ações
convenientes
Ex: a impressão de uma mensagem de erro
27
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Traps
TRAP
(3)
MUL FFFF
Programa
de usuário
PC
Sistema
Operacional
CALL 00B2
OUT R1,25
...
28
00B2
Rotina de
tratamento de trap
Profa Roberta L.G. - LPRM/DI/UFES
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Traps
Os traps são causados pelo próprio programa
(4)
Um trap é iniciado por algum evento ou condição excepcional,
causado pelo própria execução do programa
Diferença essencial entre um trap e uma interrupção
Traps são síncronos
Os traps acontecem sincronamente porque resultam da execução do
próprio programa enquanto
Se um programa for processado milhões de vezes, com as mesmas
entradas, os traps vão ocorrer nos mesmos pontos da execução
Interrupções são assíncronas
As interrupções podem ser causadas por agentes externos (Ex.: o
apertar de uma tecla do teclado).
29
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Interrupções
Interrupções são modificações no fluxo de controle de
um programa causadas por um evento externo ao
processamento do programa
Geralmente eventos relacionados a operações de E/S.
As interrupções (como as traps) também transferem o
controle para uma Rotina de Serviço/Tratamento de
Interrupção, que executa ações apropriadas
O endereço da primeira instrução da RSI está armazenado
numa estrutura denominada Vetor de Interrupção.
Vetor de
Interrupção
RSI
...
RSI
30
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Processamento de Interrupções
(1)
1 – O controlador de um dispositivo ativa uma linha de interrupção no barramento do
sistema para iniciar a seqüência de interrupção.
2 – O processador ativa no barramento um sinal de reconhecimento da interrupção.
3 – O dispositivo envia então um valor inteiro indicando a entrada do Vetor de
Interrupções (i.e. o índice).
4- Os conteúdos do PC e do PSW são salvos na pilha. Os valores dos registradores
da CPU são temporariamente armazenados (em uma tabela ou na própria pilha)
5 – É feita uma chamada à rotina de tratamento de interrupção
6 – O tratamento da interrupção, indicado pelo índice no vetor de interrupções, é
realizado.
7 – Todos os valores originais dos registradores são restaurados.
8 – O processador continua o processamento do programa como se nada tivesse
acontecido.
Palavra-Chave: Transparência
Quando ocorre uma interrupção, algumas ações são tomadas e há execução de código; porém,
quando tudo termina, o processador deve voltar exatamente ao mesmo estado que ele tinha
antes da interrupção.
31
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Processamento de Interrupções
32
(2)
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Processamento de Interrupções
(3)
Exemplo no slide anterior : computador com três dispositivos de E/S, A, B e C,
cada um com prioridade 2, 4 e 5 respectivamente. O programa do usuário,
inicialmente em execução, possui prioridade zero.
O programa do usuário é interrompido pelo dispositivo A.
O estado atual da máquina é empilhado e a RSI de A é executada.
RSI de A é interrompida pelo dispositivo C (prioridade maior).
O estado atual da máquina é empilhado e a RSI de C é executada.
Dispositivo B gera interrupção.
Como a prioridade do dispositivo B é menor que a prioridade do dispositivo C, o seu
pedido de interrupção fica pendente e a RSI de C continua.
Quando a RSI de C termina, o estado da RSI de A é desempilhado e nesse mesmo
instante a interrupção de B recebe acknowledge.
O estado atual da máquina (correspondente à RSI de A) é empilhado novamente. E
a RSI de B é executada.
Ao fim da RSI de B, o estado da RSI de A é desempilhado e esta rotina continua até
o fim.
Ao fim da RSI de A, o estado do programa do usuário é desempilhado e o programa
continua a sua execução a partir do ponto interrompido, como se nada tivesse
ocorrido.
33
http://www.inf.ufes.br/~rgomes/sp1.htm
Referências
Andrew S. Tanenbaum, Organização Estruturada de Computadores, 5ª
edição, Prentice-Hall do Brasil, 2007.
34
