O computador pode ser visto como sendo um grande conjunto de componentes interligados, cada um com funções especializadas e trabalhando de forma coordenada e sincronizada. Pode-se dizer que os principais componentes do computador são a unidade central de processamento (CPU), a memória e os periféricos. A CPU é a responsável pela execução das instruções e pela coordenação das operações necessárias para executá-las. A memória é onde reside o conjunto de instruções a serem executadas e os dados usados por tais instruções. Os periféricos interligam o mundo externo ao interior da máquina.
Estes componentes são formados por diversas unidades, cada uma das quais construídas por circuitos lógicos, combinacionais e sequenciais.
Este trabalho tem o intuito de:
- Desmistificar o funcionamento interno dos computadores;
- Consolidar conceitos vistos durante o curso;
- Aumentar o interesse da turma por tópicos relacionados à organização interna de computadores, o que será tratado em detalhes em outras disciplinas do curso.
Para tanto, o desafio é implementar uma arquitetura chamada aqui de MATA38-2021. Esta arquitetura foi especialmente especificada para este trabalho e sua estrutura está representada na figura abaixo.
A arquitetura proposta é composta pela CPU e duas memórias: uma de programa e uma de dados. A CPU é composta pelo Contador de Programa (PC), Registrador de Instrução (IR), Unidade Lógica e Aritmética (ALU), Banco de Registradores e Unidade de Controle. Um destes registradores, RA, é chamado de acumulador. Sua função é armazenar o resultado das operações aritméticas da arquitetura proposta. Os demais registradores, R0, R1, R2 e R3, são de propósito geral.
A Memória de Programa (ROM) armazena as instruções que serão executadas pelo computador e a Memória de Dados (RAM) armazena os dados manipulados pelas instruções. A Memória de Programa possui 5 bits de endereçamento e a Memória de Dados possui 2 bits de endereço. Todas as memórias podem armazenar um byte de informação, em cada endereço.
Lembre-se que memórias são dispositivos passivos e, portanto, não endereçam, nem controlam outros dispositivos.
A ALU é a unidade responsável pela execução das operações lógicas e aritméticas. Tal componente pode ser visto como vários circuitos combinacionais operando em paralelo, cada um responsável por uma determinada operação.
A Unidade de Controle (UC) gera os sinais de controle responsáveis por garantir o correto funcionamento do computador.
O PC e o IR são registradores de controle e estado. O PC é responsável por garantir a busca sequencial das instruções. Após a busca de uma instrução, o PC é incrementado. O IR é responsável por armazenar a instrução que está sendo executada no momento.
A implementação da arquitetura MATA38-2021 deve garantir a correta comunicação entre todos os componentes. Todas as instruções contidas na Memória de Programa devem ser executadas e o resultado disto deve ser escrito na Memória de Dados. O funcionamento do circuito será testado através da execução de um programa que será armazenado na Memória de Programa, com os respectivos dados na Memória de Dados.
A implementação solicitada neste trabalho deverá ser realizada na plataforma: Logisim (http://www.cburch.com/logisim/). Estas ferramentas já oferecem diversas funcionalidades e circuitos integrados já prontos, o que facilita o projeto e a depuração aqui descritos. Ao final do trabalho, a arquitetura MATA38-2021 deve ser capaz de executar um pequeno programa codificado a partir de um conjunto de instruções.
A arquitetura MATA38-2021 só lida com instruções aritméticas e de movimentação de dados e de controle. Os operandos das instruções aritméticas são armazenados em registradores. Geralmente, o valor de saída da operação realizada pela ALU é armazenado em um registrador, comumente chamado de acumulador. O acumulador é identificado como RA.
As instruções de movimentação de dados são responsáveis por carregar dados da memória de dados para o registradores, armazenar o dado do acumulador na memória de dados e, também, mover o dado de um registrador de propósito geral para outro. Essas operações garantem que os operandos das operações aritméticas sejam carregados nos respectivos registradores.
O formato de uma instrução é geralmente dividido em três campos: um para o identificador da instrução e dois para os operandos. O identificador da instrução é um código de 4 bits após os quais seguem mais quatro bits para identificação dos registradores que contém os operandos. Desta forma, esta máquina pode conter no máximo 16 instruções (ver Tabela 1).
São apenas quatro registradores endereçáveis, R0, R1, R2 e R3. Todos os resultados das operações são colocados no acumulador, RA, como pode ser observado na Tabela 1.
Note que a palavra da MATA38-2021 possui 8 bits (1 byte de palavra). As instruções podem ser de dois tipos, com os seguintes formatos:
- Tipo I: Estas são instruções que possuem dois operandos de 2 bits, cada um dos quais endereça um registrador e tem formato INST Rx, Ry.
- Tipo II: A única instrução do tipo dois é a HLT, que não possui parâmetros e, portanto, tem seus quatro bits menos significativos ignorados pelo processador. Sua função é encerrar o fluxo de controle. Todo programa contém esta instrução como a última instrução a ser executada.
Atentar que deverá implementar também um decodificador de instruções, responsável por analisar e executar cada instrução (não representado na primeira figura deste documento).
Tabela 1: Conjunto de instruções da máquina MATA38-SLS. Na tabela duas notações especiais foram usadas. O operador [Rx] ou [Ry] significa o conteúdo contido no endereço do registrador x ou y.
| Operação | Mnemônico | Código (em hexadecimal) | Descrição |
|---|---|---|---|
| Multiplicação | MUL Rx, Ry | 0x8 | [RA] ← [Rx] * [Ry] |
| Adição | ADD Rx , Ry | 0x9 | [RA] ← [Rx] + [Ry] |
| Encerrar fluxo de programa | HLT | 0xA | |
| Copiar registrador | MOV Rx , Ry | 0xB | [Rx] ← [Ry] |
| Copiar acumulador | MOV Rx , RA | 0xC | [Rx] ← [RA] |
| Ler da memória de dados | RDM Rx , End. | 0xD | [Rx] ← End. mem dados |
| Armazena na memória de dados | STR End., Rx | 0xE | End. mem dados ← [Rx] |