Processador executa instruções Funções de

 
 
Capítulo 6 do Livro do Mario Monteiro
Capítulo 5 (5.1, 5.2, 5.3 e 5.4) do Livro do Patterson
http://www.ic.uff.br/~debora/fac!
1
 
2
Processador executa instruções
•  CPU (central processing unit)
Endereço da instrução está no !
Registrador PC (program counter)!
•  UCP (unidade central de processamento)
Conteúdo da instrução está no !
Registrador IR (instruction register)!
3
 
 
Funções de processamento
Funções de controle
5
4
 
 
Unidade Lógica e Aritmética (ULA, UAL, ALU)
Registradores de dados e registradores especiais
de estado (PSW – program status word)
6
1!
 
 
Unidade de controle, relógio
(clock)
Registradores especiais
•  PC – program counter (CI
– contador de instruções)
•  IR – instruction register
(RI – registrador de
instrução)
•  REM – registrador de
endereços de memória
(MAR)
•  RDM – registrador de
dados de memória (MDR)
7
8
MP!
MP!
9
10
 
MP!
 
 
11
Construção do caminho de dados
Controle
Implementação monociclo
12
2!
 
 
 
 
Conceito de caminho de dados e controle
Caminho dos bits de instrução e dados
Utilização de clock, lógica combinacional e
seqüencial
Começa com uma implementação simples e
iterativamente vai melhorando
 
Medida de performance baseada em:
•  número de instruções
•  período do clock
•  ciclos de clock por instrução (CPI)
 
O primeiro é um fator do programa, mas os dois
últimos são baseados na implementação do
processador
13
 
14
 
Para simplificar o estudo do projeto do
processador, o foco será dado em um
subconjunto de instruções do MIPS:
•  add regA regB destreg
•  Memória: lw e sw
31
•  Aritmética: add e addi
7 bits
 
•  lw regA regB imm
 
•  sw regA regB imm
•  beq regA regB imm
 
•  addi regA regB imm
 
Desvio utiliza endereço PC relativo (PC + 1 +
imm)
25 24
22 21
0
op
7 bits
3 bits
3 bits
19 18
16 15
3 2
regA
regB
0
3 bits
3 bits
13 bits
0
destreg
3 bits
16
I-Format (tipo I – imediato)
31
22 21
rd op
op: código de operação
regA: registrador com primeiro operando fonte
regB: registrador com segundo operando fonte
destreg: registrador que guarda resultado da operação
15
 
25 24
0
•  Desvio: beq
 
R-FORMAT (tipo R – registrador)
19 18
16 15
regA regB
3 bits
0
imm
16 bits
3 bits
17
 
 
Buscar uma instrução na memória
Interpretar qual operação é representada pela
instrução
Trazer (se for o caso) os operandos para a CPU
Executar a operação
Armazenar (se for o caso) os dados de saída
Repetir o processo com uma nova instrução
 etapas do Ciclo de Instrução
18
3!
 
Duas definições importantes
•  Elemento Combinacional - saída depende somente
das entradas
Se le ct
–  Exemplo: ALU
Somador
•  Elemento Seqüencial: elementos contêm
A
Soma
B
informações de estado
32
32
M
u
x
32
C
Controle da UAL
–  Exemplo: Registradores
3
Zero
UAL
19
 
20
Contém 8 registradores
 
•  Dois barramentos de 32 bits de saída
 
–  Dado lido #1 e Dado lido #2
 
•  Um barramento de 32 bits de entrada
3
Número dos
registradores
•  Registrador selecionado por
–  Reg a ser lido #1
3
3
Dado
–  Reg a ser lido #2
Um barramento de entrada: Dado a ser escrito
Um barramento de saída: Dado lido
Seleção de endereço
EscMem
Endereço
•  Endereço seleciona a palavra a ser
–  Dado a ser escrito
•  Registrador 0 tem o valor 0
Resultado
da UAL
32
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
Dado
lido #1
32
Dado a ser
escrito
colocada em Dado lido
Dados
Dado
lido
LerMem
•  Para escrever no endereço, seta EscMem para 1
Dado 32
lido #2
•  Para ler do endereço, seta LerMem para 1
EscReg
–  Reg a ser escrito seleciona registrador que recebe Dado a ser
escrito quando EscReg=1
21
 
 
 
 
De acordo com a arquitetura do conjunto de
instruções, define-se uma estrutura
organizacional macro (número de unidades
funcionais, por exemplo)
Essa estrutura é refinada para definir os
componentes do caminho de dados, sua
interconexão e pontos de controle
Estrutura de controle é definida
O projeto do caminho de dados e controle é
refinado para projeto físico e validação
funcional
23
22
 
 
Busca a instrução na memória, cujo endereço
está no contador de programa PC
Incrementa o contador de programa PC de 1
1
Somador
PC
Endereço de
leitura
Instrução
Memória de
Instruções
24
4!
 
add regA regB destreg
•  Mem[PC]
Obtém instrução da memória
R[regA] + R[regB] Executa operação
•  R[destreg]
de soma
PC + 1
 
R[destreg]
R[regA] op R[regB]
•  Controle da UAL e de EscReg baseado na
instrução decodificada
•  PC
Calcula próximo endereço
•  Reg a ser lido #1, Reg a ser lido #2, Reg a
ser escrito são regA, regB, destreg
Registradores
3
3
3
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
Operação da UAL
3
Dado
lido #1
Dado
lido #2
Zero
UAL
Resultado
da UAL
EscReg
25
 
26
lw regA regB imm
•  mem[PC]
Busca instrução na
memória
•  End
R[regA]+SignExt(imm) Calcula o endereço da
memória
•  R[regB] Mem[End]
Carrega os dados no
registrador
•  PC PC+1
Calcula o próximo
endereço
Registradores
3
Instrução
Operação da UAL
EscMem
Reg a ser
Dado
lido #1
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser Dado
escrito lido #2
Dado de
escrita
3
3
16
EscReg
Exten16
são
de
sinal
3
Zero Memória
de dados
Resultado
Endereço
Dado
da UAL
lido
UAL
Dado a
ser escrito
32
LerMem
EscReg
3 bits
regA
3 bits
op
7 bits
0
3 bits
regB
16 bits
imediato
27
 
28
sw regA regB imm
•  mem[PC]
Busca instrução na memória
R[regA]+SignExt(imm) Calcula o endereço da
•  End
memória
•  Mem[End]
memória
•  PC PC+1
7 bits
0
Registradores
3
R[regB]
3 bits
op
Carrega os dados na
Instrução
3
3
Calcula o próximo endereço
3 bits
regA
3 bits
regB
29
Reg a ser
Dado
lido #1
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser Dado
escrito lido #2
Dado de
escrita
EscReg
Exten- 32
16
são
de
sinal
Operação da UAL
EscMem
3
Zero Memória
de dados
Resultado
Endereço
Dado
da UAL
lido
UAL
Dado a
ser escrito
LerMem
16 bits
imediato
30
5!
 
beq regA regB imm
•  mem[PC]
Busca instrução na
memória
•  Cond
R[regA]-R[regB]
desvio
•  if (Cond eq 0)
–  PC
PC+1 vindo do caminho de dados de busca de uma instrução
Calcula a condição de
Soma
3
PC+1 + SignExt(imm)
Calcula endereço PC relativo
Instrução
PC+1
3
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
3
•  else
–  PC
Extensão
de
sinal
16
3 bits
regB
Para a lógica de
controle do desvio
condicional
UAL Zero
Ddo
lido #2
EscReg
3 bits
regA
Operação da UAL
Dado
lido #1
Dado de
escrita
Calcula o próximo endereço
3 bits
op
7 bits
0
Endereço alvo
do desvio condicional
Somador
Registradores
16 bits
imediato
31
32
32
FontePC
32
32
32
32
32
1
PC
Somador
3
M
U
X
Memória
de Instruções
Somador
32
Registradores
3
RegDst
EscReg
16
Registradores
Operação da UAL
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
3
Endereço
de leitura
Instrução
1
UAL fonte
32
EscMem
3
32
Extensão
de
sinal
M
u
x
Zero
Resultado
da UAL
32
UAL
Memória
de dados
Endereço Dado
lido
ULAparaReg
M
PC
Endereço
de leitura
Instrução
Memória
de Instruções
M
u
x
32
3
M
3
U
X
RegDst
Dado a
ser escrito
32
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
3
16
32
EscReg
LerMem
33
 
 
Resultado
da UAL
Somador
Operação da UAL
EscMem
3
32
UAL fonte
32
M
u
x 32
Extensão
de
sinal
M
u
x
32
Zero
Resultado
da UAL
32
UAL
ULAparaReg
Memória
de dados
Endereço Dado
lido
32
M
u
x
Dado a
ser escrito
32
32
LerMem
34
PC incrementado normalmente
Se instrução for beq
32
•  pode adicionar imm a PC + 1
PC +1
32
0
1
1
Resultado
da UAL
Somador
Registradores
PC
Endereço
de leitura
Instrução
Memória
de Instruções
M
U
X
RegDst
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
EscReg
16
PC
Memória
de Instruções
3
M
u
x
Extensão
de
sinal
35
32
Zero
Resultado
da UAL
UAL
Endereço
de leitura
Instrução
DvC
Resultado
da UAL
32
Registradores
Somador
Operação da UAL
UAL fonte
Somador
M
u
x
32
M
u
x
32
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
3
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
RegDst
EscReg
3
32
UAL fonte
32
M
U
X
16
M
u
x
Extensão
de
sinal
32
Somador
Operação da UAL
3
32
3
Zero
Resultado
da UAL
UAL
32
1
DvC
EscMem
Memória
de dados
32
Endereço Dado
lido
32
Dado a
ser escrito
ULAparaReg
M
u
x
32
32
LerMem
36
6!
 
Identifica pontos de controle no caminho de
dados
•  Busca da instrução
PC +1
•  Operações lógicas e aritméticas
Registradores
•  Memória
 
Endereço
de leitura
Instrução
PC
Identifica tipo de controle do sinal
M
U
X
Memória
de Instruções
•  Fluxo de dados através de multiplexadores
RegDst
 
 
Deriva sinais de controle para cada instrução
Coloca todos os sinais juntos
37
Registradores
Endereço
de leitura
Instrução
PC
Memória
de Instruções
Somador
Operação da UAL
=op
3
Reg a ser
lido #1
UAL fonte
Reg a ser
=0
Zero
lido #2
Reg a ser
Resultado
M
escrito
da UAL
u
x
Dado de
UAL
escrita
EscReg
=1 16 Exten- 32
são
de
sinal
M
U
X
RegDst
=1
1
Endereço
de leitura
Instrução
Memória
de Instruções
M
U
X
RegDst
=X
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
UAL fonte
lido #2
=1
0
Reg a ser
M
escrito
u
x
Dado de
1
escrita
EscReg
=0 16 Exten- 32
são
de
sinal
41
DvC= 0
UAL
Resultado
da UAL
Registradores
EscMem =0
DvC
=0
Memória
de dados
Endereço Dado
lido
ULAparaReg
=1
PC
0
M
U
X
Memória
de Instruções
M
u
x
1
Dado a
ser escrito
Endereço
de leitura
Instrução
RegDst
=0
LerMem
=0
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
UAL fonte
lido #2
=1
Reg a ser
0
M
escrito
u
x
Dado de
1
escrita
EscReg
=1 16 Exten- 32
são
de
sinal
M
u
x
Somador
Operação da UAL
3
=Add
DvC
=0
Zero
Resultado
da UAL
Memória
de dados
Endereço Dado
lido
UAL
EscMem =0
Dado a
ser escrito
ULAparaReg
=0
0
M
u
x
1
LerMem
=1
40
PC+1
Resultado
da UAL
Registradores
PC
Don’t care
(X)
32
Somador
PC +1
Somador
Extensão
de
sinal
Zero
Resultado
da UAL
M
u
x
39
1
M
u
x
PC +1
Resultado
da UAL
Somador
Somador
Operação da UAL
UAL fonte
38
PC +1
1
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
EscReg
16
•  Escrita de dados
M
u
x
Resultado
da UAL
Somador
1
M
u
x
1
Registradores
Somador
Operação da UAL
3
=Add
DvC
=0
Zero
Resultado
da UAL
Memória
de dados
Endereço Dado
lido
UAL
Resultado
da UAL
Somador
EscMem =1
Dado a
ser escrito
LerMem
=0
ULAparaReg
=X
M
u
x
PC
Endereço
de leitura
Instrução
Memória
de Instruções
M
U
X
RegDst
=X
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
UAL fonte
lido #2
=0
Reg a ser
M
escrito
u
x
Dado de
escrita
EscReg
=0 16 Exten- 32
são
de
sinal
M
u
x
Somador
Operação da UAL
3
=Sub
DvC
=1
Zero
Resultado
da UAL
Memória
de dados
Endereço Dado
lido
UAL
EscMem =0
ULAparaReg
=X
M
u
x
Dado a
ser escrito
LerMem
=0
42
7!
PC +1
Resultado
da UAL
Somador
1
Registradores
PC
Endereço
de leitura
Instrução
M
U
X
Memória
de Instruções
RegDst
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
EscReg
16
Somador
Operação da UAL
3
UAL fonte
M
u
x
Extensão
de
sinal
Zero
Resultado
da UAL
UAL
M
u
x
DvC
EscMem
Memória
de dados
Endereço Dado
lido
ULAparaReg
M
u
x
Dado a
ser escrito
32
LerMem
43
44
45
46
 
Vantagens
 
Desvantagens
•  Um ciclo de relógio por instrução torna lógica mais simples
PC +1
1
Resultado
da UAL
Somador
Registradores
PC
Instr [24:22] op
Endereço
de leitura
Instrução
Memória
de Instruções
M
U
X
RegDst
RegDst
Controle
Principal
UALfonte
ULAparaReg
EscReg
LerMem
EscrMem
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
EscReg
16
Somador
Operação da UAL
UAL fonte
M
u
x
Extensão
de
sinal
Zero
Resultado
da UAL
UAL
•  Ciclo de clock determinado pela instrução que leva maior
M
u
x
tempo
DvC
–  Instrução de carga utiliza cinco unidades funcionais em série
EscMem
Memória
de dados
Endereço Dado
lido
Dado a
ser escrito
32
LerMem
ULAparaReg
M
u
x
tempo de acesso à memória de instruções +
•  tempo de acesso ao banco de registradores +
•  retardo da UAL +
•  tempo de acesso à memória de dados +
•  tempo de estabilidade dos dados para o banco de registradores
•  Duplicação de unidades funcionais
DvC
UAL Op2
48
49
8!
 
Um programa é escrito em uma linguagem que a
máquina não entende
•  Linguagem de alto nível
 
É necessário traduzir o programa para a
linguagem binária
http://www.ic.uff.br/~debora/orgcomp!
50
51
Programa Fonte em C!
compilador!
Programa em Assembly!
montador!
Código objeto em linguagem binária!
Módulo!
...!
Código objeto em linguagem binária!
Rotina de biblioteca!
Link-editor!
Programa executável!
52
 
Compilador traduz o programa escrito em linguagem de alto nível
para linguagem de montagem
 
Compilador executa três funções:
•  Análise léxica:
–  decompõe o programa fonte em seus elementos individuais distintos
(comandos, operadores, variáveis) e verifica se estão de acordo com as
regras da linguagem
•  Análise sintática:
–  cria as estruturas para os comandos e verifica a correção das estruturas
(por exemplo, tem int antes de main, tem abre e fecha parênteses)
•  Análise semântica:
–  verifica as regras semânticas estáticas da linguagem (por exemplo,
estar atribuindo valores do tipo correto para uma variável)
•  Ex.: Parcela1=1.5, poderia dar erro pois variável Parcela1 é do tipo int
54
loader!
Memória!
53
 
 
Montador realiza a tradução de um programa em
linguagem de montagem (código fonte) para linguagem
binária (código objeto)
Funções básicas:
•  Substituir códigos de operações simbólicos por valores
numéricos
•  Substituir nomes simbólicos de endereços por valores
numéricos
•  Reservar espaço de memória para armazenamento de
instruções e dados
•  Converter valores de constantes para binários
•  Examinar a correção de cada instrução
55
9!
 
 
 
Link-editor ou ligador
Algumas rotinas já existem codificadas no sistema, por exemplo, rotinas para
entrada e saída de dados, de modo que o programador não precisa codificálas.
Exemplo:
•  printf(),
•  readln(),
•  rotinas matemáticas como seno e cosseno.
 
Estas rotinas são armazenadas em bibliotecas que são incluídas no código
objeto gerado pelo compilador.
 
Para que o código da subrotina externa seja anexado ao código objeto utilizase o processo de ligação.
Linguagem interpretada
  Realiza as três fases (compilação, ligação e
execução) comando a comando do programa
fonte.
  Um programa fonte é executado pelo programa
interpretador.
 
•  Este processo examina todo o código objeto e procura por referências externas
não resolvidas assinaladas pelo compilador.
•  Ele procura pela rotina no sistema e, se a encontra, inclui seu código no código
objeto, caso contrário, gera uma mensagem de erro.
56
57
Erros são detectados de forma mais fácil na
interpretação
  Utiliza-se mais memória na interpretação porque
interpretador tem que estar na memória
  Na interpretação, loop tem que ser traduzido em
todas as iterações
  Programas muito utilizados são traduzidos toda
vez que são executados na interpretação
 
58
10!