Organização Básica de Computadores

Rodolfo Azevedo

MC404 - Organização Básica de Computadores e Linguagem de Montagem

http://www.ic.unicamp.br/~rodolfo/mc404

Como funciona um computador?

Quais os principais componentes de um computador?

• Processador
• Memória
• Periféricos

O que um processador faz?

• Executa instruções
• Codificadas em linguagem de máquina (binário)
• Seguem um conjunto de instruções (ISA)
• Busca e escreve dados na memória
• Sabe onde está a próxima instrução a ser executada
• Lê e escreve dados nos periféricos
• Utiliza registradores como armazenamento temporário
• Considera o comportamento de uma instrução por vez
• Pode ser capaz de executar múltiplas instruções, mas o comportamento final deve ser equivalente ao sequencial

Ciclo de instrução

• O processador tem um registrador especial, chamado PC, que indica onde está a próxima instrução na memória

Para executar uma instrução, o processador:

1. Solicita a leitura da memória enviando o endereço da instrução (PC)
2. A memória envia o dado (instrução) para o processador
3. O processador decodifica o dado como instrução
4. O processador executa a instrução

O processador se comunica com a memória

• O processador não sabe exatamente o que tem do lado de fora dele, mas sabe claramente se comunicar com os componentes externos

• Basta enviar o endereço a ser acessado e utilizar um dos dois comandos disponíveis: Leitura ou Escrita.
• O dado será enviado caso o comando seja de escrita e será recebido caso o comando seja de leitura

Mas a memória é muito lenta!

• O processador costuma ter caches, que nada mais são que memórias menores, mais rápidas, que ficam mais perto dele

• Caches são memórias pequenas que conseguem ser colocadas mais próximas do processador e que são mais rápidas que a memória principal
• Por que não fazer a memória principal do mesmo material que as caches?
• Porque ela ficaria muito cara e de velocidade similar à memória principal atual

O processador também tem registradores

• Registradores são pequenas células de memória que ficam dentro do processador
• O RISC-V prevê 32 registradores de 32 bits, onde um deles tem valor zero
• As instruções operam diretamente nos registradores, sem precisar acessar a memória
• Existem instruções específicas para ler e escrever dados da memória
• Load faz a leitura de um valor na memória e coloca no registrador
• Store faz a escrita na memória do valor de um registrador
• Existem múltiplas variações de load e store, que diferem no tamanho do dado e no endereçamento

Como localizar um dado na memória?

• Todos os bytes de memória possuem um endereço
• A memória não usa o espaço de endereçamento disponível
• O processador precisa ler mais que um byte por vez
• No RISC-V, todas as leituras são feitas em múltiplos de palavras (4 bytes)

Como ler um dado de 4 bytes?

• As instruções ocupam 4 bytes, então o PC sempre lê múltiplos de 4 bytes quando se trata de instruções
• A primeira instrução está na posição 0, a segunda na posição 4, e assim sucessivamente
• Isso significa que a primeira instrução, por ter 4 bytes, utiliza o byte 0, byte 1, byte 2 e byte 3

Instruções de Memória

Instrução	Formato	Uso
Load word	I	LW rd, rs1, imm
Store word	S	SW rs2, rs1, imm

• Existem variações para Byte (LB e SB) e Halfword (LH e SH)
• Também existem variações para Unsigned (LBU e LHU)

Exemplo

Somar os dois primeiros elementos do vetor v e guardar na terceira posição do vetor

main() {
  int v[10];
  ...
  v[2] = v[0] + v[1];
}

Exemplo - resolvido

Somar os dois primeiros elementos do vetor v e guardar na terceira posição do vetor

main() {
  int v[10];
  ...
  v[2] = v[0] + v[1];
}

em assembly do RISC-V:

lw t1, t0, 0   # onde t0 deve ter o endereço de v[0]
lw t2, t0, 4   # lê v[1] -> o próximo endereço após v[0]
add t3, t1, t2
sw t3, t0, 8   # escreve em v[2]