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:

Solicita a leitura da memória enviando o endereço da instrução (PC)
A memória envia o dado (instrução) para o processador
O processador decodifica o dado como instrução
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)

bg right h:600

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]

Tamanho de variáveis

Linguagem C	Tipo em RISC-V (32 bits)	Tamanho em bytes
bool	byte	1
char	byte	1
short	halfword	2
int	word	4
long	word	4
void	unsigned word	4

char, short, int e long também podem ser unsigned

Classificação de memórias

As memórias podem ser classificadas em relação ao uso que se faz delas:
Principal: Fica próxima ao computador e armazena dados e programas para serem executados/utilizados
Secundária: Armazena dados e programas que precisam ser carregados para a memória principal para serem executados/utilizados.
Elas também podem ser classificadas em relação à capacidade de reter dados:
Voláteis: Perdem os dados quando a energia é desligada
Não voláteis: Mantém os dados mesmo quando a energia é desligada

Tipos de Memória

RAM: Memória de acesso aleatório volátil. Utilizada como memória principal dos dispositivos computacionais. Tipicamente têm dois tipos:
SRAM: Memória estática, mais rápida mas mais cara. Geralmente utilizada em pequena quantidade (em registradores, caches)
DRAM: Memória dinâmica, mais lenta e mais barata. Geralmente utilizada em grande quantidade (memória principal), como DDR4 e DDR5
ROM: Memória de acesso aleatório não volátil. Utilizada como memória secundária dos dispositivos computacionais. O caso mais comum é o da memória flash, a mesma do seu pendrive, mas que também serve para armazenar dados no seu celular e notebook (SSD).
Disco: Para maiores quantidades de armazenamento, existem os discos rígidos (HDD).

E quanto aos periféricos?

Do ponto de vista do processador, periféricos são apenas outros itens armazenados numa região específica de memória
O processador não sabe se o dado está na memória principal ou em um periférico
O processador sabe apenas enviar um endereço e um comando de leitura
Se o endereço corresponder à memória, a memória será ativada e retornará o dado
Se o endereço corresponder a um periférico, o periférico será ativado e retornará o dado
Quem tem essa informação é o programador
O periférico pode ficar atrás da proteção do sistema operacional assim como o sistema de memória

Fluxo de desenvolvimento de código

RISC vs CISC

O conjunto de instruções de um processador pode ser complexo ou simples
CISC: Complex Instruction Set Computer
RISC: Reduced Instruction Set Computer
Esse conceito foi mudando um pouco com o tempo, hoje temos ISAs RISC com muitas instruções e com um bom grau de complexidade
Arquiteturas RISC são baseadas em modelos load/store onde todo o acesso à memória só se dá através de instruções explicitas
É comum arquiteturas RISC possuírem mais registradores
É comum arquiteturas CISC possuírem instruções com mais sub-ações
É comum arquiteturas CISC serem implementadas total ou parcialmente com microinstruções

Multicore vs Multithread

Multicore: Processadores com múltiplos núcleos O modelo de fabricação inclui mais de uma unidade de processamento (núcleo) independente dentro do processador. Assim temos processadores de 4 núcleos, 8 núcleos, etc. Cada um funciona como um processador independente, mas compartilham a mesma memória principal.
Multithread: Processadores capazes de executar múltiplas threads Um programa precisa de, no mínimo, uma thread. Essa é a menor unidade de execução possível. Um núcleo de processador pode ser capaz de executar multithread, o que significa que ele é capaz de executar múltiplas threads simultaneamente.

Nenhum programa de MC102 que você fez era multithread! :astonished: