Microarquitetura e ISA

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Capítulo 4 − Nível da microarquitetura
− Nível acima da lógica digital
− Função: Implementar a ISA (Instruction Set Architecture)
− O projeto da microarquitetura depende diretamente da ISA, além dos
objetivos de custo e performance
4.1 Exemplo de Microarquitetura
− Cada microarquitetura é única => não existe fórmula
− Exemplo: Subconjunto da JVM => Apenas instruções com inteiros (IJVM)
− Microprograma (ROM): Busca, decodificação e execução das
instruções IJVM
− Cada instrução IJVM é uma função a ser chamada pelo programa
principal
− Programa principal: Loop simples, sem fim => determina a próxima
função chamada, executa a função, determina a próxima função,
executa a função,...
− Instruções IJVM: curtas, normalmente um ou dois campos. O primeiro
campo é sempre o OPCODE. 
− Microprograma: possui um conjunto de variáveis, acessadas por todas
as funções => estado do computador
MAR (Memory Address Register): Porta de endereçamento de
memória (32 bits)
MDR (Memory Data Register): Porta de dados de memória (32
bits), leitura ou escrita na memória.
PC (Program Counter): indica a posição de memória(endereço) que
contém a próxima instrução a ser executada.
MBR (Memory Byte Register) : Porta de dados da memória (8
bits), apenas leitura da memória
SP (Stack Pointer): Aponta para o topo da pilha
LV (Local Variable): Aponta para a base das variáveis locais
dentro da pilha
CPP (Constant Pool Pointer): Aponta para a base da área de
constantes.
TOS
OPC
H (Holding Register)
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4.1.1 Data Path
− Possui a ULA, suas entradas e saídas.
− Conjunto de registradores de 32 bits (arquivo de registradores) => acessíveis
apenas no nível da microarquitetura (pelo microprograma)
− 6 linhas de seleção da função da ULA => apenas 16 funções úteis
− Número negativo: Complemento de dois
− Argumentos da ULA:
− 1º argumento: sempre do registrador H (Holding)
− 2º argumento: Qualquer um dos outros registradores, excluindo o H e
MAR
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− Saída da ULA: Alimenta o deslocador
− Deslocador:
− SLL8 (Shift Left Logical)
− SRA1 (Shift Right Arithmetic)
− É possível ler e escrever em um mesmo registrador no mesmo ciclo de
relógio.
Temporização da via de dados
Subciclos:
− liberação dos sinais de controle 
− leitura dos registradores
− operação da ULA e deslocador
− propagação do resultado para os deslocadores
− Temporização rígida;
− Ciclo de relógio suficientemente grande
− Menor tempo possível de propagação na ULA (e deslocador)
− Carregamento rápido dos registradores
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Operação de Memória
− Duas comunicações com a memória
− porta de acesso de memória de uma palavra, 32 bits => Controlada por
MAR e MDR.
− porta de acesso de memória de um byte, 8 bits = > Controlada por
MBR e PC.
− MAR contém endereços de palavras
− PC contém endereços de bytes
− MAR/MDR => Utilizados para ler palavras de dados no nível ISA => 32 bits
− PC/MBR => Utilizados para ler o programa executável no nível ISA => 8 bits
− Memória física orientada por Bytes (total de 4GB) => mapeamento de MAR
no barramento de endereço.
− Leitura de MBR no barramento B:
− Com sinal
− Sem sinal
4.1.2 Microinstruções
− 29 sinais para controlar a via de dados:
− 9 sinais para escrita nos registradores
− 9 sinais para leitura dos registradores
− 8 sinais para controlar a ULA e deslocador
− 2 sinais para indicar leitura ou escrita via MAR/MDR
− 1 sinal para indicar busca de instrução via PC/MBR
− Os sinais especificam a operação da via de dados em um ciclo de relógio.
− Uma leitura da memória (em MDR ou MBR) iniciada ao fim do ciclo k só
terá o dado disponibilizado a partir do ciclo k+2.
− É possível ler dados distintos da memória em dois ciclos consecutivos.
− Não é possível ler mais de um registrador ao mesmo tempo => decodificação
da leitura => necessidade de apenas 24 bits para controlar a via de dados.
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− Os 24 bits controlam a via de dados em um ciclo da via de dados =>
necessidade de informar o que será feito no próximo ciclo => inclusão dos
campos NEXT_ADDRESS e JAM.
ADDR: Contém o endereço da possível próxima microinstrução
JAM: Determina como a próxima microinstrução é selecionada
ALU: Funções da ULA e Deslocador
C: Seleção de qual registrador é carregado do barramento C
MEM: Funções da memória
B: Seleção de qual registrador é lido no barramento B
4.1.3 Controle das Microinstruções: MIC−1
− Seqüenciador: Determina quais sinais de controle devem ser habilitados em
cada ciclo, responsável por seguir uma seqüência de operações necessárias para
a execução de uma única instrução ISA:
1. Determina o estado de cada sinal de controle do sistema
2. Explicita o endereço da próxima microinstrução a ser executada
− Control Store: memória que contém todo o microprograma (512 palavras de
36 bits).
− As microinstruções NÃO são armazenadas seqüencialmente na memória de
controle => cada microinstrução especifica sua sucessora.
− MPC (MicroProgram Counter): Especifica o endereço da memória de controle
− MIR (MicroInstruction Register): Saída de dados da memória de controle
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− MIR é carregado na transição negativa do clock com o dado apontado por
MPC.
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− JMPC = 0
−Bit de mais alta ordem de MPC = (JAMZ AND Z) OR (JAMN AND
N) OR NEXT_ADDRESS(8).
− Duas possíveis sucessoras para a microinstrução corrente:
− JMPC = 1
− MPC = MBR OR NEXT_ADDRESS 
− Normalmente os 8 bits de mais baixa ordem de NEXT_ADDRESS são
zero. O bit de mais alta ordem pode ser "1" ou "0".
4.2 Exemplo de ISA: IJVM
4.2.1 Pilhas (Stacks)
 − Local de memória utilizada para variáveis temporárias (locais).
− Acessada por dois registradores:
− LV − Local Variables − aponta para a base das variáveis locais
− SP − Stack Pointer − aponta para o topo da pilha
− Quadro local: estrutura de dados entre LV e SP
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− Pilha de operandos: Quando a pilha é utilizada para armazenar valores
intermediários em uma expressão. Nem todas as máquinas utilizam este recurso.
4.2.2 Modelo de Memória da IJVM
− Memória vista de duas formas:
− Vetor de 4G bytes
− Vetor de 1G palavras, cada palavra 4 bytes
− Endereços implícitos que fornecem a base para um ponteiro => as instruções
só podem acessar a memória indexando a partir destes ponteiros.
− Separação da memória em quatro partes, acessíveis a qualquer momento:
1. Área de constantes (Constant Pool):
− Não pode ser escrita por um programa .
− Carregada quando o programa é lido para a memória.
− Consiste de constantes, strings e ponteiros para outras áreas de
memória.
− CPP: Aponta sempre para a base desta área (endereço da primeira
palavra da área de constantes).
2. Quadro de variáveis Locais (Local Variable Frame):
− Não inclui a pilha de operandos
− Utilizada para a alocação de variáveis durante a execução de um
procedimento.
− A pilha de operandos está localizada exatamente acima do quadro de
variáveis locais.
− Argumentos da chamada do procedimento armazenados no começo
do quadro de variáveis locais.
− LV: Possui o endereço da primeira posição do quadro de variáveis
locais.
3. Pilha de Operandos:
− A pilha não excede um certo tamanho, garantido pelo compilador
Java.
− A área da pilha de operandos é alocada acima da área de variáveis
locais
− SP: aponta para o topo da pilha de operandos => valor alterado
durante a execução do programa.
4. Área de Métodos:
− Região de memória que contém o programa.
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− Tratada como um vetor de bytes.
− PC: Aponta para a próxima instrução a ser buscada.
− CPP, LV e SP => Ponteiros para palavras (4 bytes), todos offsets utilizados
para indexar estas áreas de memória são offsets de palavras => LV+1 não
representa a posição de memória do byte acima de LV mas a posição de
memória do quinto byte acima de LV.
− PC => Ponteiro para byte 
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4.2.3 Conjunto de instruções IJVM
− Cada instrução consiste de um OPCODE e, em alguns casos,de um operando
(offset de memória ou constante)
− byte, const e varnum: um byte
− disp, index e offset: dois bytes
− Fontes das palavras a serem colocadas na pilha:
− Área de constantes: LDC_W
− Quadro de variáveis locais: ILOAD
− Área de instruções: BIPUSH
− Local de armazenamento das variáveis retiradas da pilha:
− Quadro de variáveis locais: ISTORE
− Própria pilha: IADD, ISUB, IAND, IOR
− Saltos:
− Incondicional: GOTO
− Condicional: IFEQ, IFLT, IF_ICMPEQ
− Chamada de função (método): INVOKEVIRTUAL
− Retorna de função : IRETURN
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Execução de um método
1. A função que chama o método coloca um apontador (OBJREF) para o objeto
a ser chamado na pilha;
2. A função que chama o método coloca os parâmetros do método na pilha
(Parâmetro 1, Parâmetro 2, Parâmetro 3).
3. Finalmente executa−se o INVOKEVIRTUAL
4. A instrução INVOKEVIRTUAL possui um deslocamento (disp), como
argumento => indica a posição na área de constante que possui o endereço
inicial na área de métodos.
− Primeiros 4 bytes na área de método: 
 2 bytes indicando o número de parâmetros (OBJREF é contado como o
Parâmetro 0) => Juntamente com SP fornece a posição de OBJREF. LV
apontará para OBJREF.
 2 bytes indicando o tamanho da área de variáveis locais do método que
será executado => necessário para determinar a nova posição de SP.
− Quinto byte é a primeira instrução a ser executada.
5. Os dois primeiros bytes da área de métodos são utilizados para posicionar LV
=> OBJREF é substituído por um ponteiro indicando a posição do antigo PC.
6. Acima do antigo valor de PC, o antigo valor de LV também é armazenado.
7. SP passa a apontar para o endereço da posição do antigo LV (pilha encontra−
se vazia).
8. PC passa a apontar para o quinto byte da área de métodos.
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Retorno de um método
A instrução IRETURN reverte as operação da instrução INVOKEVIRTUAL
− Desaloca o espaço utilizado pelo método que estava sendo executado.
− Retorna a pilha para o estado anterior:
− OBJREF e todos os parâmetros são retirados da pilha
− O valor de retorno é colocado no topo da pilha, na posição inicialmente
ocupada por OBJREF.
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4.2.4 Compilando Java para IJVM
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4.3 Exemplo de Implementação
4.3.1 Microintruções e Notação
− Memória do microprograma: 36 bits por palavra
− Controle a cada ciclo: 
− Possibilita executar diversas operações concorrentemente
− Necessário para compreender e verificar as operações
− Mais fácil para uma possível otimização (redução de ciclos por
instrução)
− Notação: MAL (Micro Assembly Language)
SP = SP+1; rd => incrementa SP e inicia uma operação de leitura da
memória
MDR = SP => copia o valor de SP para MDR
 MD = H + SP => adiciona o conteúdo do registrador H ao registrador SP
escrevendo 
 o resultado em MDR.
MDR = SP + MDR => INVÁLIDO ! (um dos argumentos tem que ser H)
H = H − MDR => INVÁLIDO ! (o subtraendo deve vir de H)
SP = SP+1;rw => Incrementa SP e inicia uma operação de escrita na
memória (4 bytes)
SP = SP+1; fetch => incremeta SP e inicia uma operação de busca de
instrução (1 byte)
goto label => salto incondicional para a próxima microinstrução marcada
por "label"
Z = TOS => Utilizada para verificar se o valor de um registrador é nulo.
Simplesmente passa o registrador pela ULA, sem armazenar o
resultado.
N = TOS => Similar a anterior, porém testa se o valor do registrador é
negativo.
if (Z) goto L1; else goto L2 => Salto condicional
Z=TOS; if (Z) goto L1; else goto L2
goto (MBR or value) => goto (MBR) => utiliza o bit JMPC
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− Nem todas as operações são permitidas
− O mesmo registrador não pode receber um valor da memória e da via de
dados no mesmo ciclo:
MAR = SP;rd
MDR = H
− Cada microinstrução fornece o endereço para a próxima microinstrução
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4.3.2 Implementação do IJVM usando o MIC−1
− 112 microinstruções
− As microinstruções não estão necessariamente em posições subsequentes
− TOS: contém o valor da memória apontada por SP − Topo da pilha
− OPC: registrador temporário. Pode ser utilizado para armazenar o valor de PC
em uma instrução de salto.
− A seqüência de microinstruções sempre começa no endereço igual ao
OPCODE do IJVM.
− BIPUSH: Coloca um byte na pilha
− ILOAD:
−WIDE: Altera o índice das instruções ILOAD e ISTORE
−IINC: Soma uma constante a uma variável local
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