Agenda

Revisão e complementação de conceitos prévios para Organização de Computadores

• Circuitos combinacionais e sequenciais, oscilador em anel.

• Definição de sistemas digitais, exemplo do tocador de MP3 (entra MP3 e sai PCM, depois um conversor DA e alto falantes)

• Noções fundamentais de um computador: informações de dados e controle, blocos de controle e de dados, programas e instruções.

• Conjunto de transparências a ser usado nesta aula e seguintes

Exemplo de Trabalho TP1

Unidade I: Introdução

Revisão e complementação de conceitos prévios para Organização de Computadores:

• Modelo geral de um computador: a interface Processador-Memória
• Modelos gerais de organizações de computadores: von Neumann e Harvard
• Classificação das arquiteturas conforme o conjunto de instruções (Ler HP 2.2 p.67) - máquina de pilha, máquinas com acumulador, máquinas com conjunto de registradores (de uso geral) (subdivididas em registrador-memória e registrador-registrador)
• Tipos de operações (Ler HP 2.7 p.79)
• Codificação de instruções (Ler HP 2.10 p.86)
• A função do compilador (Ler HP 2.11 p.89)
• Arquitetura MIPS: características

Os seis (6) Elementos Definitórios de uma Arquitetura (1 de 2):

1. Conjunto de Registradores Acessíveis (ao programador em linguagem de montagem)
2. Conjunto de Instruções (da arquitetura)
3. Formatos de Instrução (da arquitetura)
4. Modos de Endereçamento (de cada operando de cada instrução)
5. Linguagem de Montagem (da arquitetura)
6. Modelo de Acesso à Memória (pelo processador)

Os seis (6) Elementos Definitórios de uma Arquitetura (2 de 2):

1. Conjunto de Registradores Acessíveis (ao programador em linguagem de montagem)
2. Conjunto de Instruções (da arquitetura)
3. Formatos de Instrução (da arquitetura)
4. Modos de Endereçamento (de cada operando de cada instrução)
5. Linguagem de Montagem (da arquitetura)
6. Modelo de Acesso à Memória (pelo processador)

Para entender melhor, leiam:

• Sobre tipo, quantidade e tamanho de operandos (Ler HP 2.5 p.77)
• Modos de endereçamento principais (há muitos outros) - imediato, direto, base-deslocamento, indexado (Ler PH p.85)
• Modelos de acesso a memória (Ler HP 2.3 p.70)

• Exemplos a serem apresentados em aula:
  • Meu primeiro programa MIPS
  • Meu segundo programa MIPS
  • Soma uma constante a cada elemento de um vetor

• Classes de instruções do MIPS
• Tudo que não é instrução em um programa do MIPS pode ser: diretiva do montador, pseudo-instrução ou comentário. Por exemplo, especificação de dados se faz com diretivas.
• Uso da letra "u" (unsigned) em mnemônicos do MIPS
  • gerar interrupções de tratamento de exceções em instruções aritméticas (sem u) ou ignorar  tais condições (com u)
  • uso de representações numéricas em complemento de 2 (sem u) ou em binário puro (com u)
• Instruções de controle de fluxo: saltos (branches (opcodes 10 e 11), jumps (opcode 4))
• Instruções de comparação (test and set) (opcodes 4 e 8) slts (set if less than)

Apresentações do TP1 (1 de 5)

Grupos que Apresentam hoje (em ordem):

Ver dicas de como preparar a apresentação do TP1 aqui

Programação em linguagem de montagem do MIPS (3/6)

• SIMULADOR MARS - Documentação e tutorial:
  • Simulador MARS - versão para Windows - Mars4_5.jar
    Instalação e uso.
  • Apêndice A de PH - documentação do processador MIPS
• Assuntos a abordar nesta aula depois de mostrar o MARS: (1) Como escrever um programa e a relação deste com o código objeto gerado pelo montador (processo de montagem e desmontagem de código); (2) Como trabalhar com escalares (primeiro programa), (3) e vetores de escalares (segundo programa)
  • Meu primeiro programa MIPS
  • Meu segundo programa MIPS
• Solução dos três exercícios

Sala 309

• Assuntos a abordar nesta aula:
  • (1) Como trabalhar com cadeias de caracteres ou strings (programa toupper.asm) e (2) como modelar a chamada de funções e subrotinas
  • Exemplo de manipulação de cadeias de caracteres: toupper.asm
  • Como trabalhar com cadeias de caracteres ou strings (programa toupper.asm)
  • Como modelar a chamada de funções e subrotinas
  • Exercícios: Especificação dos três exercícios a serem feitos na aula

• Aula de exercícios para a prova P1
• Lista mínima aconselhada de material de consulta para a prova:
  • Apêndice A do livro texto - Atenção aos detalhes da Errata
  • Help pages do Mars - diretivas, chamadas do sistema, macroinstruções
  • Tabela de conversão binário <-> decimal <-> hexadecimal
  • Tabela ASCII
  • Provas P1/PS/G2 anteriores, disponíveis na página de Material de Apoio da disciplina

Correção da P1

• Chamadas não aninhadas: subrotinas folha - ex_func_call.asm
• Chamadas aninhadas - rotinas aninhadas com uso da pilha
• Chamadas recursivas - caso especial de chamadas aninhadas
  • Exemplo de programa com chamadas recursivas de subrotina: fatorial
  • Exercício de recursão: divisão por dois recursiva

Mais exemplos de programas: Compilação da estrutura switch (uso de ponteiros), teste_subr.asm
Mais um exemplo de programa (complicado) que chama uma subrotina recursiva: fatorial_trad_de_C.asm 

Especificação do Trabalho TP2

• Chamadas não aninhadas: subrotinas folha - ex_func_call.asm
• Chamadas aninhadas - rotinas aninhadas com uso da pilha
• Chamadas recursivas - caso especial de chamadas aninhadas
  • Exemplo de programa com chamadas recursivas de subrotina: fatorial
  • Exercício de recursão: divisão por dois recursiva

Mais exemplos de programas: Compilação da estrutura switch (uso de ponteiros), teste_subr.asm
Mais um exemplo de programa (complicado) que chama uma subrotina recursiva: fatorial_trad_de_C.asm 

• Chamadas não aninhadas: subrotinas folha - ex_func_call.asm
• Chamadas aninhadas - rotinas aninhadas com uso da pilha
• Chamadas recursivas - caso especial de chamadas aninhadas
  • Exemplo de programa com chamadas recursivas de subrotina: fatorial
  • Exercício de recursão: divisão por dois recursiva

• Chamadas não aninhadas: subrotinas folha - ex_func_call.asm
• Chamadas aninhadas - rotinas aninhadas com uso da pilha
• Chamadas recursivas - caso especial de chamadas aninhadas
  • Exemplo de programa com chamadas recursivas de subrotina: fatorial
  • Exercício de recursão: divisão por dois recursiva
  • Solução do exercício de divisão por 2 recursiva

• Simulação do exemplo de chamadas aninhadas de subrotina - rotinas aninhadas com uso da pilha
• Discussão de enunciado do TP2

Unidade III: Bloco de Dados e Bloco de Controle - Introdução

Implementação do bloco de dados monociclo (1/8) (Ler PH 5 p.196-217)

Revisão e complementação de conceitos prévios para Organização de Computadores (Circuitos Digitais e VHDL):

• Conjunto de transparências a ser usado nesta aula e na próxima - Uma introdução a conceitos de hardware para Org. Comp

• Multiplexadores, demultiplexadores e decodificadores
• Circuitos aritméticos
• O Paradigma Síncrono e Máquinas de Estado Finitas
• Memórias ROM e RAM - Interface externa e estrutura internaa
• flip-flops D e registradores

Unidade III: Bloco de Dados e Bloco de Controle - Introdução

Implementação do bloco de dados monociclo (2/8) (Ler PH 5 p.196-217)

Revisão e complementação de conceitos prévios para Organização de Computadores (Circuitos Digitais e VHDL):

• Conjunto de transparências a ser usado nesta aula e na próxima - Uma introdução a conceitos de hardware para Org. Comp

• Multiplexadores, demultiplexadores e decodificadores
• Circuitos aritméticos
• O Paradigma Síncrono e Máquinas de Estado Finitas
• Memórias ROM e RAM - Interface externa e estrutura internaa
• flip-flops D e registradores

Um conjunto de descrições VHDL para elementos básicos de hardware Módulos básicos em VHDL.

Unidade III: Bloco de Dados e Bloco de Controle - Introdução

Implementação do bloco de dados monociclo (3/8) (Ler PH 5 p.196-217)

Revisão e complementação de conceitos prévios para Organização de Computadores (Circuitos Digitais e VHDL):

• Conjunto de transparências a ser usado nesta aula e na próxima - Uma introdução a conceitos de hardware para Org. Comp

• Multiplexadores, demultiplexadores e decodificadores
• Circuitos aritméticos
• O Paradigma Síncrono e Máquinas de Estado Finitas
• Memórias ROM e RAM - Interface externa e estrutura internaa
• flip-flops D e registradores

Um conjunto de descrições VHDL para elementos básicos de hardware Módulos básicos em VHDL.

Implementação do bloco de dados monociclo (4/8) (Ler PH 5 p.196-217)

• Estudo do projeto VHDL da versão do MIPS monociclo, disponível em mips_V0_files.zip

• Transparências com explicações e estrutura da MIPS monociclo
• Discussão da estrutura do processador para implementar algumas das instruções com formato R (ADDU, SUBU, AND, OR, XOR, NOR) e as algumas das instruções com formato I (ORI, LW e SW). Siga o link para explicações dos 4 formatos básicos de instruções do MIPS.
• Diagramas de Blocos da MIPS_V0 (completo)
Discussão das implementações multiciclo e monociclo
• Características temporais de sistemas síncronos - como calcular freqüência máxima de operação de sistemas síncronos
• Apresentação do código VHDL para este processador
• Simulação do bloco de dados monociclo

Implementação do bloco de dados monociclo (5/8) (Ler PH Seções 5.1 a 5.3)

Inclusão dos saltos condicionais no VHDL

Simulações do Processador MIPS_V0 completo, usando memórias externas preenchíveis a partir de arquivos em disco.

• Processo de geração do arquivo de carga de memórias - uso do MARS, edição manual de texto e limitação ao subconjunto de instruções do MIPS_V0.
• Programa de teste utilizado: prog1.asm (neste exemplo, antes de se gerar o Dump do código no MARS substituir a primeira instrução pelo ori da segunda, ou seja, a primeira e segunda instrução serão iguais)
• Usar como programa de teste o prog2.asm

Implementação do bloco de dados monociclo (6/8) (Ler PH Seções 5.1 a 5.3) 

Evolução do processador MIPS_V0

• Como acrescentar novas instruções
• Estudos de caso das instruções BEQ e LUI
• Expansão do MIPS_V0 para acomodar a instrução LUI
• Expansão do MIPS_V0 para acomodar a instrução BEQ

Estrutura do Testbench da arquitetura MIPS_V0

Exercício para Aula Prática: alterar a implementação mips_V1 para dar a esta capacidade de executar as seguintes instruções adicionais: ADDIU, ANDI, XORI

• Transparências sobre a organização MIPS - adaptadas de Hsien-Hsin Sean Lee
• Exercícios para a unidade III

Implementação do bloco de dados monociclo (7/8) (Ler PH Seções 5.1 a 5.3)  

• Conclusão da simulação da MIPS_V1 - Material para simulação MIPS_V1

Implementação do bloco de dados multiciclo(1/3) (Ler PH Seções 5.4 e 5.7 a 5.10)

Lâminas da aula (1-26): multi_ciclo_apresentacao.pdf. Se o PDF estiver rotacionado, use o botão de girar do Acrobat Reader - ao lado do zoom. Desempenho e limitações da implementação monociclo

• Lâminas da aula (27-40), mesmo conjunto de lâminas da aula anterior
• Bloco de controle com máquina de estados
• Tempo de execução de programas

• O arquivo mult_div.zip corresponde ao projeto a ser usado na próxima aula

Implementação do bloco de dados multiciclo(2/3) (Ler PH Seções 5.4 e 5.7 a 5.10)

Especificação do trabalho_prático 3 org.docx  (peso: 20% de G1)

Material para realizar o trabalho:

Simulação avançada do MIPS Multiciclo - Integração do multiplicador ao MIPS Multiciclo - Continuação

• Executar as tarefas descritas no arquivo simulacao_mr_std.doc. Fazer exercícios propostos no final do documento
• Descrição VHDL - mips_multiciclo.vhd
• mips_multi_tb.vhd
• Código de teste - rotinas_aninhadas.asm
• Documento de Especificação da implementação de um subconjunto do MIPS - MIPS_MULTICICLO (em PDF)

 Prova P2 (peso: 30% de G1)
Quando o gabarito estiver disponível, Clique Aqui

Lâminas da aula (1-26): multi_ciclo_apresentacao.pdf. Se o PDF estiver rotacionado, use o botão de girar do Acrobat Reader - ao lado do zoom. Desempenho e limitações da implementação monociclo

Unidade IV: Projeto de sistemas digitais utilizando VHDL

• Algoritmo de multiplicação serial
• Integração do multiplicador ao processador MIPS
• Arquivos para a aula: mult_div.ppt e mult_div.zip
• O arquivo mult_div.ppt corresponde às lâminas com a explicação da multiplicação e divisão seriais

Data Final de Entrega do Trabalho TP3 - Moodle