MICROPROCESSADORES Arquitectura do Conjunto de Instruções Nuno Cavaco Gomes Horta Universidade Técnica de Lisboa / Instituto Superior Técnico Microprocessadores Sumário • • • • • • • • Introdução Unidade de Processamento Unidade de Controlo Conjunto de Instruções Unidade Central de Processamento (CPU) Unidade de Entrada/Saída (I/O) Unidade de Memória Perspectiva Evolutiva das Arquitecturas de Computadores N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 2 1 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Arquitectura Genérica de um Computador N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 3 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Conceitos/Definições das Arquitecturas de Computadores Linguagem Máquina: Linguagem binária armazenamento de instruções em memória. utilizada na definição e Linguagem Assembly: Linguagem simbólica, utilizada para efeito de programação, que utiliza nomes em vez dos códigos de operação, endereços e operandos binários. Formato das Instruções: O conjunto de bits que compõem a instrução organizam-se em grupos ou campos designados por (podem surgir outras tipo de campos não especificados nesta fase): opcode - código da operação a ser executada; address - endereço para selecção de uma posição de memória ou registo do processador; mode - modo como o campo de endereço deve ser interpretado. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 4 2 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Conceitos/Definições das Arquitecturas de Computadores Ciclo Básico de Operação de um Computador: A U. de Controlo é projectada para executar cada instrução de um programa seguindo os seguintes passos: 1. Aquisição de instrução da memória para um registo de controlo. 2. Descodificação de instrução 3. Localização dos operandos utilizados pela instrução. 4. Aquisição de operando da memória (caso seja necessário) 5. Execução da operação 6. Armazenamento do resultado e regresso ao passo 1. Conjunto de Registos: Registos da CPU acessíveis ao programador, normalmente descritos no manual de programação Assembly, neste caso: – Registos de uso geral (R0 a R7) – Contador do Programa (PC – Program Counter) – Registo de Estado (PSR – Processor Status Register) – Apontador para a Pilha (SP – Stack Pointer) N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 5 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Conceitos/Definições das Arquitecturas de Computadores Endereçamento de Operandos: O endereçamento explícito de operandos pode ser através da especificação do endereço de memória ou do endereço do registo do processador, contudo, o endereçamento de um operando pode também ser feito de forma implícita através do código da operação. Definição da Arquitectura do Conjunto de Instruções: O número de operandos de endereçamento explícito, numa instrução de manipulação de dados, e destes o número de operandos que podem ser directamente endereçados em memória são factores fundamentais na definição de uma Arquitectura para o Conjunto de Instruções e, naturalmente, na dimensão das instruções. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 6 3 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Endereçamento de Operandos A influência do número de operandos no desenvolvimento de programas será ilustrada através do cálculo da seguinte expressão aritmética: X=(A+B)(C+D) Instruções com 3 Operandos, de Endereçamento Explícito: (a) Armazenamento temporário em memória MEM. (A,B,C,D,X,T1,T2 são Endereços de memória) ADD T1,A,B M[T1] M[A]+M[B] A 12 ADD T2,C,D M[T2] M[C]+M[D] B 3 MUL X,T1,T2 M[X] M[T1]xM[T2] C 4 (b) Armazenamento temporário em registo ADD R1,A,B R1 M[A]+M[B] ADD R2,C,D R2 M[C]+M[D] MUL X,R1,R2 N. Horta, IST - UTL D 8 X 180 T1 15 T2 12 M[X] R1xR2 Microprocessadores 2005/2006 7 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Endereçamento de Operandos (cont.) X=(A+B)(C+D) Instruções com 2 Operandos: Cada campo de endereço permite especificar um registo ou um endereço de memória. O registo R1 pode substituir T1 (endereço de memória) no armazenamento temporário. MEM. MOVE T1,A M[T1] M[A] ADD T1,B M[T1] M[T1]+M[B] MOVE X,C M[X] M[C] ADD X,D M[X] M[X]+M[D] D 8 MUL X,T1 M[X] M[X]x M[T1] X 180 T1 15 T2 12 N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 A 12 B 3 C 4 8 4 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Endereçamento de Operandos (cont.) X=(A+B)(C+D) Instruções com 1 Operando: No caso das arquitecturas com instruções de apenas um operando (explícito) é utilizado um registo - acumulador - de forma implícita para obter um dos operandos e para localizar o resultado da operação. MEM. LD A ACC M[A] ADD B ACC ACC+M[B] ST X M[X] ACC LD C ACC M[C] D 8 ADD D ACC ACC+M[D] X 180 MUL X ACC ACC x M[X] T1 15 ST X M[X] ACC T2 12 N. Horta, IST - UTL ACC A 12 B 3 C 4 Microprocessadores 2005/2006 9 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Endereçamento de Operandos (cont.) X=(A+B)(C+D) Instruções sem Operandos: No caso das arquitecturas com instruções sem operandos (explícitos), todos os operandos terão de surgir de forma implícita. A forma convencional de solucionar este problema é recorrendo a um STACK (pilha), estrutura de memória do tipo LIFO para armazenamento de dados dinâmicos. (TOS – Top of Stack) PUSH A TOS M[A] PUSH B TOS M[B] ADD TOS TOS+TOS-1 PUSH C TOS M[C] PUSH D TOS M[D] ADD TOS TOS+TOS-1 MUL TOS TOSxTOS-1 POP X N. Horta, IST - UTL STACK STACK S TACK [A] [A]+[B] [B] M[X] TOS Microprocessadores 2005/2006 STACK STACK [A]+[B] [A]+[B] (...) x (...) [C ] [C]+[D] [D ] 10 5 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Arquitecturas de Endereçamento Classificação: 1. Memory-Memory: O endereçamento dos operandos é na totalidade realizado sobre a memória. 2. Register-Register ou Load/Store: O endereçamento dos operandos faz-se com recusro a registos. O acesso à memória é restrito às instruções do tipo LD (load) e ST (store). Nota: No caso de ser necessária uma palavra de memória adicional para especificar o endereço de cada operando, o número de acessos à memória no primeiro caso é de 21, enquanto no segundo é de 18.Justifique! MEMORY-MEMORY ADD T1,A,B M[T1] M[A]+M[B] ADD T2,C,D M[T2] M[C]+M[D] MUL X,T1,T2 M[X] M[T1]xM[T2] REGISTER-REGISTER LD R1,A R1 M[A] LD R2,B R2 M[B] ADD R3,R1,R2 R3 R1+R2 LD R1,C R1 M[C] LD R2,D R2 M[D] A solução Memory-Memory conduz a uma ADD R1,R1,R2 R1 R1+R2 maior complexidade das estruturas de N.controlo, Horta, ISTenquanto - UTL Microprocessadores MUL R1,R1,R3 R1 R1xR311 na Register-Register é 2005/2006 ST X,R1 M[X] R1 necessário um maior número de registos. Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Arquitecturas de Endereçamento (cont.) Classificação: 3. Register-Memory: O endereçamento dos operandos faz-se com recurso a registos e memória. 4. Single Accumulator: O endereçamento não recorre a registos de uso geral, sendo as transferências realizadas na totalidade entre a memória e o registo Acumulador. 5. Stack: O endereçamento é realizado de forma implícita com recurso ao STACK. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 12 6 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento O modo de endereçamento descreve o modo como os operandos são seleccionados durante a execução do programa. O endereço do operando obtido pelas regras subjacentes aos modos de endereçamento designa-se endereço efectivo. Os vários modos de endereçamento tem por objectivos fundamentais: 1. Conferir Flexibilidade de Programação através da utilização de apontadores para memória, contadores para controlo de ciclos, indexação dos dados e relocalização de programas. 2. Reduzir o número de bits nos campos de endereço da instrução. A especificação do modo de endereçamento pode ser através de um campo próprio ou fazer parte do código da operação. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 13 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento (Formato das Instruções) N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 14 7 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento O pcode M odo Endereço ou O perando 1. Implícito: Operando especificado de forma implícita, não é referido explicitamente na instrução, e.g., ADD. Add Im plícito ---- 2. Imediato: Operando especificado na instrução, e.g., MOVE R1,3. M ove Im ediato 3 3. Registo: Operando corresponde a um registo do processador, e.g., MUL R1,R2,R3. Mul Registo --- 4. Indirecto por Registo: Endereço do operando corresponde ao conteúdo do registo especificado na operação, e.g., ADD (R1),3. Add N. Horta, IST - UTL Indirecto p/ Reg. 3 Microprocessadores 2005/2006 15 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento 5. Directo: Operando obtido pela especificação do seu endereço em memória no campo de endereço da instrução, e.g,, ACC M[ADRS]. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 16 8 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento 5. Directo (cont.): ... e.g., instrução de salto condicional. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 17 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento 6. Indirecto: O campo de endereço da instrução especifica o endereço de memória que guarda o endereço efectivo do operando, e.g., ACC M[M[ADRS]]. LD Indirecto ADRS 7. Relativo: O endereço efectivo do operando é determinado pela soma do valor do campo de endereço da instrução com o conteúdo de um registo da CPU, tipicamente o PC, i.e., end.efectivo = campo_end_inst + PC. LD Relativo ADRS 8. Indexado: O endereço efectivo do operando é determinado pela soma do valor do campo de endereço da instrução com o conteúdo de um registo de índice ou de base que define o endereço de início de um array, i.e., end.efectivo = campo_end_inst + Registo_Índice. LD N. Horta, IST - UTL Indexado ADRS Microprocessadores 2005/2006 18 9 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento - Sumário Simbologia (Mano): ADRS Endereço Efectivo #NBR Número @ ou [ADRS] Endereço Indirecto $ADRS Endereço Efectivo relativo ao PC ADRS (R1) Endereço Efectivo relativo ao R1 R1 Registo (R1)N. Horta, ISTEndereço R1 - UTL Efectivo em Microprocessadores 2005/2006 19 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento - Sumário Simbologia (Mano): ADRS Endereço Efectivo #NBR Número @ ou [ADRS] Endereço Indirecto $ADRS Endereço Efectivo relativo ao PC ADRS (R1) Endereço Efectivo relativo ao R1 R1 Registo (R1)N. Horta, ISTEndereço R1 - UTL Efectivo em Microprocessadores 2005/2006 20 10 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento - Sumário Simbologia (Mano): ADRS Endereço Efectivo #NBR Número @ ou [ADRS] Endereço Indirecto $ADRS Endereço Efectivo relativo ao PC ADRS (R1) Endereço Efectivo relativo ao R1 R1 Registo (R1)N. Horta, ISTEndereço R1 - UTL Efectivo em Microprocessadores 2005/2006 21 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento - Sumário Simbologia (Mano): ADRS Endereço Efectivo #NBR Número @ ou [ADRS] Endereço Indirecto $ADRS Endereço Efectivo relativo ao PC ADRS (R1) Endereço Efectivo relativo ao R1 R1 Registo (R1)N. Horta, ISTEndereço R1 - UTL Efectivo em Microprocessadores 2005/2006 + 22 11 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento - Sumário Simbologia (Mano): ADRS Endereço Efectivo #NBR Número @ ou [ADRS] Endereço Indirecto $ADRS Endereço Efectivo relativo ao PC ADRS (R1) Endereço Efectivo relativo ao R1 R1 Registo (R1)N. Horta, ISTEndereço R1 - UTL Efectivo em Microprocessadores 2005/2006 + 23 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento - Sumário Simbologia (Mano): ADRS Endereço Efectivo #NBR Número @ ou [ADRS] Endereço Indirecto $ADRS Endereço Efectivo relativo ao PC ADRS (R1) Endereço Efectivo relativo ao R1 R1 Registo (R1)N. Horta, ISTEndereço R1 - UTL Efectivo em Microprocessadores 2005/2006 24 12 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Modos de Endereçamento - Sumário Simbologia (Mano): ADRS Endereço Efectivo #NBR Número @ ou [ADRS] Endereço Indirecto $ADRS Endereço Efectivo relativo ao PC ADRS (R1) Endereço Efectivo relativo ao R1 R1 Registo (R1)N. Horta, ISTEndereço R1 - UTL Efectivo em Microprocessadores 2005/2006 25 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Arquitecturas do Conjunto de Instruções O conjunto de instruções de diferentes computadores varia em vários aspectos, e.g., código de operação no campo opcode da instrução, o nome simbólico dado às instruções, etc. Classes de Arquitecturas de Instruções: RISC – Reduced Instruction Set Computers 1. Acesso à memória restrito a instruções de carregamento – load - e armazenamento – store. As instruções de manipulação de dados são do tipo Registo-Registo. 2. Modos de Endereçamento em número limitado. 3. Formatos das Instruções todos da mesma dimensão. 4. As instruções correspondem à execução de operações elementares O objectivo das arquitecturas RISC é conferir um elevado ritmo de execução, para isso minimiza os acessos à memória e em contrapartida aumenta o número de registos da CPU. A dimensão fixa das instruções e a simplicidade das suas operações conduz a unidades de controlo relativamente simples, tipicamente “Hardwired” e arquitecturas pipelined. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 26 13 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Arquitecturas do Conjunto de Instruções Classes de Arquitecturas de Instruções: (cont.) CISC – Complex Instruction Set Computers 1. Acesso à memória disponível para a generalidade dos tipos de instrução. 2. Modos de Endereçamento em número elevado. 3. Formatos das Instruções de diferentes dimensões. 4. As instruções executam tanto operações elementares como operações complexas. O objectivo das arquitecturas CISC é conferir uma maior proximidade entre as operações utilizadas em linguagens de programação e as operações desencadeadas por cada instrução. Facilita o desenvolvimento de programas compactos e eficiência em termos de desempenho advém de um menor número de acessos à memória em relação ao número de operações elementares realizadas. Neste caso, a CPU apresenta um menor número de registos do que nas arquitecturas RISC e a utilização do controlo microprogramado é o mais usual dada a variedade de formatos de instruções utilizados. Nota: Cada instrução CISC, em geral, corresponde a uma sequência de instruções RISC. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 27 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Arquitecturas do Conjunto de Instruções Classes de Arquitecturas de Instruções: (cont.) RISC, CISC Independentemente das arquitecturas serem CISC, RISC ou uma solução híbrida CISC-RISC, existe, tipicamente, um conjunto de operações elementares disponíveis na generalidade dos casos e associadas às seguintes classes: – Instruções de Transferência de Dados: Transferência de dados de uma localização para outra sem alterar a informação. – Instruções de Manipulação de Dados: Execução de operações aritméticas, lógicas e de deslocamento. – Instruções de Controlo de Programa: Permitem decidir sobre o fluxo do programa durante a sua execução. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 28 14 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Transferência de Dados • • • • • Memória Registo – LD, ST, MOVE, XCH Registo Registo – MOVE, XCH Memória Memória – MOVE, XCH Stack (Pilha) Registo, Memória – PUSH, POP I/O (Entradas/Saídas - Periféricos) – IN, OUT N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 29 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Transferência de Dados EXEMPLO: STACK (Instruções) Instrução Microoperação PUSH R1 SP SP-1, STACK M[SP] R1 POP R1 R1 M[SP], SP SP+1 A memória em STACK apresenta a vantagem de poder ser referida pelo processador sem ter de especificar o endereço. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 30 15 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Transferência de Dados EXEMPLO: I/O (Instruções) Porto: Registo, identificado por um endereço, associado a um determinado periférico. a) I/O Isolado Instrução Microoperação IN R1, Porto R1 [Porto] OUT Porto, R1 [Porto] R1 I/O Isolado: Espaço de endereçamento específico para I/O. Memory-Mapped I/O: Espaço de endereçamento idêntico para acessos à memória e a I/O. Neste caso, não existe diferenciação entre instruções de acesso a memória e a I/O. b) Memory-Mapped I/O Instrução Microoperação LD R1, Porto R1 [Porto] ST Porto, R1 [Porto] R1 N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 31 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Manipulação de Dados • Aritméticas N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 32 16 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Manipulação de Dados • Lógicas N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 33 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Manipulação de Dados • Deslocamento N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 34 17 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Controlo de Programa • • • • Salto Incondicional – JMP, SKP Salto Condicional - BR Chamada/Retorno a/de Procedimento – CALL, RET Comparação – CMP, TEST N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 35 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Controlo de Programa • Salto Condicional – Bits de estado – Num. sem sinal – Num. com sinal N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 36 18 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Instruções de Controlo de Programa • Chamada/Retorno a/de Procedimento EXEMPLO: CALL e RET a) CALL Instrução Microoperação CALL PROC SP SP-1, M[SP] PC, PC ENDEREÇO EFECTIVO b) RET Instrução Microoperação RET PC M[SP], SP SP+1 N. Horta, IST - UTL CALL: Chamada a procedimento com armazenamento no STACK do endereço de retorno e carregamento do PC com o endereço de início do procedimento. RET: Retorno do procedimento com carregamento do PC com o endereço de retorno no programa principal. Microprocessadores 2005/2006 37 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Interrupções A Interrupção corresponde à ocorrência de um pedido interno ou externo ao processador que provoca a interrupção do programa correntemente em execução passando a ser executado o programa ou rotina de serviço a essa Interrupção. O controlo regressa ao programa original após a execução da rotina de serviço à Interrupção. Interrupção vs CALL 1. 2. 3. A interrupção surge, normalmente, num ponto indeterminado do programa e em consequência de um sinal interno ou externo ao processador. O endereço da rotina de atendimento da interrupção é determinado por mecanismos de hardware em vez de ser através do campo de endereço de uma instrução. A resposta a uma interrupção obriga à salvaguarda dos conteúdos dos vários registos do processador, uma vez que pode ocorrer em qualquer instante, em vez do simples armazenamento do endereço de retorno. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 38 19 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Interrupções Tipos de Interrupções: • Interrupção Externa (hardware): Iniciada por um periférico de entrada ou de saída, por um circuito de monitorização da alimentação ou por qualquer outra fonte externa, e.g., transferência de dados, falha de alimentação, etc. • Interrupção Interna (hardware): Provocada pelo uso ilegal ou erróneo de uma instrução ou dado, e.g., overflow aritmético, divisão por zero, etc. • Interrupção de Software: Instrução executada na sequência, natural, da execução de um programa, e.g., chamadas ao sistema. N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 39 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções Interrupções Processamento de Interrupções Externas Microinstruções SP SP-1, M[SP] PC, SP SP-1, M[SP] PSR, EI 0, INTACK 1, PC IVAD N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 40 20 Microprocessadores Arquitectura do Conjunto de Instruções BIBLIOGRAFIA [1] M. Morris Mano, Charles R. Kime, “Logic and Computer Design Fundamentals”, Prentice-Hall International, Inc. (Capítulo 9) N. Horta, IST - UTL Microprocessadores 2005/2006 41 21