INTRODUÇÃO

O arquivo que está a ser lido, é referente a documentação do 1º Trabalho prático da disciplina de Sistemas Operacionais, lecionada pelo Professor Mestre, Michel Pires Dias, do 6ªPeriodo regular, de Engenharia de Computação do CEFET-MG Campus Divinópolis, nele, tem como principal ideia, o desenvolvimento de um processador que utilize-se da arquitetura de Von Neumann, e é baseado na arquitetura MIPS, porém, o CPU implementado não possui todas funcionalidades de um processador MIPS, de forma, que é um CPU mais simplificado possível

CONTEXTO

Arquitetura de Von Neumann

A Arquitetura de Von Neumann, ou modelo de Von Neumann, ou Arquitetura de Princeton é uma arquitetura de computadores baseada em descrições do ciêntista Jonh Von Neumann, entre outros, feitas por volta do ano de 1945. Nela, é descrito uma arquitetura para computadores digitais, que possuia os seguintes componentes:

• Uma unidade de processamento, que continha tanto uma unidade lógica e aritmética (ULA ou em inglês, ALU), uma unidade de controle, que continha um registrador de instrução, que possui o endereço de memória da proxima instrução e um contador de programa, responsável por marcar qual instrução do código está sendo executada.
• Uma unidade de memória, responsável por armazenar tanto os dados dos programa, quando as instruções do mesmo
• Mecanismos de Input / Output para a realização de uma interface entre o computador e o mundo.

Uma melhor vizualização da arquitetura de Von Neumann pode ser feita por meio da imagem abaixo: ![.][/img/von_neumann_architecture.png "Arquitetura de Von Neumann"]

A arquitetura de Von Neumann ainda é de certo a base das arquiteturas computacionais modernas, como é o caso da MIPS.

Arquitetura MIPS

Já a arquitetura MIPS, é uma arquiteteura baseada na familia de arquiteturas RISC, desenvolvida pela MIPS Computer Systems. A arquitetura MIPS foi utilizada por muito tempo, e por esse motivo, possui várias versões. Ele foi utilizada principalmente dentro da academia, para o estudo, pois é uma das mais simples, que apresenta processadores funcionais e que posteriormente poderiam ser utilizados, além disso, ela também foi utilizada de base para a criação de outras arquiteturas da família RISC, como é o caso da Alpha, porém, atualmente a arquitetura MIPS foi descontinuada, e a atual dona, MIPS Technologies, esta trabalhando na criação de uma nova arquitetura, desta vez, baseada na familia RISC-V

CPU

A CPU é composta por 3 blocos principais: ULA (ou ALU em inglês), Unidade de Controle, Registradores. É o principal componente responsável por processar todas as instruções e realizar operações fundamentais para o funcionamento dos programas e do sistema operacional. A CPU executa essa tarefa através de um ciclo constante de busca, decodificação e execução de instruções, conhecido como o ciclo de instrução. O ciclo de instruções da CPU é dividido em:

• IF (Instruction Fetch): A CPU obtém a próxima instrução da memória, que é indicada pelo Contador de Programa (PC), e a carrega no Registrador de Instrução (IR).
• ID (Instruction Decode): A Unidade de Controle interpreta a instrução no IR e determina quais componentes internos e operações são necessários para executá-la, carregando os operandos nos registradores.
• EX (Execute): ULA realiza operações aritméticas ou lógicas que foram passadas nas instruções.
• MEM (Memory Access): Vai efetuar a escrita ou leitura da memoria principal.
• WB (Write Back): O registrador especificado vai armazenar o resultado da operação.

O Pipeline é um técnica que vai permitir que executemos essas instruções ao mesmo tempo em estagio diferentes, aumentando a eficiência da CPU. Exemplo: Enquanto uma instrução está sendo buscada, outras podem estar sendo decodificadas ou ate memso executadas.

ULA ou ALU

A Unidade Lógica e Aritmética é responsável por realizar operações matemáticas e lógicas . Ela é essencial para o processamento de dados, já que executa operações sobre os números e dados binários que a CPU manipula. A ULA, junto com os registradores e a unidade de controle, constitui o núcleo da CPU. A ULA também pode retornar sinais de estado e flags, nesta ULA implementada temos a flag de overflow onde, caso o resultado ultrapasse a capacidade de representação da ULA, essa flag vai assumir True.

Operações Implementadas

1. ADD (Soma)

   • Descrição: Soma dois operandos e armazena o resultado.
   • Tipo: Aritmética.

2. SUB (Subtração)

   • Descrição: Subtrai o segundo operando do primeiro.
   • Tipo: Aritmética.

3. MUL (Multiplicação)

   • Descrição: Multiplica dois operandos.
   • Tipo: Aritmética.

4. DIV (Divisão)

   • Descrição: Divide o primeiro operando pelo segundo.
   • Tipo: Aritmética.

5. BEQ (Branch if Equal)

   • Descrição: Salta para uma instrução específica se os operandos forem iguais.
   • Tipo: Controle de fluxo.

6. BNE (Branch if Not Equal)

   • Descrição: Salta para uma instrução específica se os operandos forem diferentes.
   • Tipo: Controle de fluxo.

7. BLT (Branch if Less Than)

   • Descrição: Salta para uma instrução específica se o primeiro operando for menor que o segundo.
   • Tipo: Controle de fluxo.

8. BGT (Branch if Greater Than)

   • Descrição: Salta para uma instrução específica se o primeiro operando for maior que o segundo.
   • Tipo: Controle de fluxo.

9. BGTI (Branch if Greater Than Immediate)

   • Descrição: Salta se o operando for maior que um valor imediato.
   • Tipo: Controle de fluxo.

10. BLTI (Branch if Less Than Immediate)

    • Descrição: Salta se o operando for menor que um valor imediato.
    • Tipo: Controle de fluxo.

11. LW (Load Word)

    • Descrição: Carrega um valor da memória para um registrador.
    • Tipo: Transferência de dados.

12. LA (Load Address)

    • Descrição: Carrega um endereço de memória para um registrador.
    • Tipo: Transferência de dados.

13. ST (Store)

    • Descrição: Armazena o valor de um registrador em uma posição de memória.
    • Tipo: Transferência de dados.

Estruturação

Atributos

• A, B: Entradas A e B da ALU, que recebem operandos de 32 bits.
• result: Resultado da operação (32 bits com sinal).
• overflow: Flag de overflow.
• op: Operação a ser realizada.

Funções

• calculate(): Executa a operação especificada.

CONTROL_UNIT

A Unidade de Controle é uma parte essencial da CPU que coordena e gerencia a execução de instruções no processador. Ela atua como o "cérebro" da CPU, determinando quais operações devem ser realizadas, em qual ordem e com quais dados. As instruções citadas no ciclo da CPU são realizadas aqui, definidas em que ordem vão ser executadas e os operandos dessas instruções.

Estruturação

Instruction_Data

• source_register: Variavel String
• target_register: Variavel String
• destination_register: Variavel String
• op: Variavel String
• addressRAMResult: Variavel String

Control_Unit

• op: Variavel do tipo operação
• data: Vetor de Instruções
• InstructionMap: Map de operação e seu opcode

Funções

• Get_immediate:
• Pick_Code_Register_Load:
• Get_destination_Register:
• Get_target_Register:
• Get_source_Register:
• Identificacao_instrucao:
• Fetch:
• Decode:
• Execute_Aritmetic_Operation:
• Execute_Operation:
• Execute_Loop_Operation:
• Execute:
• Memory_Acess:
• Write_Back:

REGISTER

Unidade individual de armazenamento, usado para armazenar dados temporários, endereços de memória ou informações de controle.

Variáveis

• value: Valor de 32 bits armazenado no registrador.

Funções

• REGISTER(): Construtor que inicializa o valor com 0.
• write(uint32_t new_value): Escreve um novo valor no registrador.
• read() const: Lê o valor do registrador.
• reverse_read() const: Lê o inverso do valor salvo no registrador.

REGISTER_BANK

Conjunto de registradores, proporcionando armazenamento temporário para múltiplos dados. Há registradores especificos e de uso geral nesssa implementação:

Registradores de Uso Específico

• pc: Program Counter
• mar: Memory Address Register
• cr: Cause Register
• epc: Exception Program Counter
• sr: Status Register
• hi, lo: Armazenam resultados de operações de 32 bits
• ir: Instruction Register

Registradores de Uso Geral

• zero: Sempre contém 0
• at: Reservado para o assembler
• v0, v1: Contém os valores de retorno de funções
• a0 - a3: Contém os argumentos necessários para as chamadas de função
• t0 - t9: Registradores temporários
• s0 - s7: Registradores salvos
• k0, k1: Reservados para o sistema operacional
• gp, sp, fp, ra: Global Pointer, Stack Pointer, Frame Pointer, Return Address

Funções

• REGISTER_BANK(): Construtor que inicializa o banco de registradores.
• print_registers() const: Imprime os valores de todos registradores do banco.

MEMORY

MEMORYCELL

A menor unidade de armazenamento, foi implementada uma estrutura dinâmica, cada celula de memoria possúi endereço único.

Atributos

• value: O valor armazenado em memória será um inteiro sem sinal de 32 bits.
• next: Um ponteiro usado para criar uma estrutura dinâmica com o struct.

Métodos

• write(const uint32_t new_value): Grava o valor de new_value na variável value.
• read(): Lê o valor armazenado no atributo value.
• reverse_read(): Lê o inverso do valor armazenado em memória pelo atributo value.

MAINMEMORY

É usada para armazenar dados voláteis, como instruções em uso pelo CPU. (RAM)

Atributos

• NumOfi: Nùmero de linhas da estrutura de dados.
• NumOfj: Número de colunas da estrutura de dados.
• MemoryCell: Um ponteiro de ponteiro que define a estrutura de dados.

Métodos

• InsertData: Função de adiciona um valor na estrutura de dados.
• EraseData: Apaga os dados na estrutura de dados.
• EmptyLine: Verifica se a estrutura está vazia em uma das linhas.

SECONDARY_MEMORY

Memoria utilizada para guardar programas e dados á longo prazo.

Variáveis

• storage: Vetor de 32 bits que simula a memória secundária.

Funções

• SECONDARY_MEMORY(size_t size): Construtor que inicializa a memória com o tamanho especificado e define todos os valores como 0x0000.

• write(size_t position, uint32_t value): Escreve um valor de 32 bits no endereço especificado.

• read(size_t position) const: Retorna o valor armazenado na posição especificada. Retorna 1 em caso de posição inválida.

Programação

As instruções supportadas pela a arquitetura são as seguintes:

• add: Realiza a soma de dois operandos e armazena o resultado.
• div: Realiza a divisão de dois operandos e armazena o resultado no terceito.
• mult: Multiplica dois operandos e armazena o resultado no terceito.
• sub: Realiza a subtração de dois operandos e armazena o resultado no terceito.
• beq: Realiza um desvio condicional se os dois operandos forem iguais.
• bne: Realiza um desvio condicional se os dois operandos forem diferentes.
• bgt: Desvia se o primeiro operando for maior que o segundo.
• bgti: Desvio condicional se o primeiro operando for maior ou igual o segundo.
• blt: Desvia se o primeiro operando for menor que o segundo.
• blti: Desvio condicional se o primeiro operando for menor ou igal o segundo.
• j: Desvio incondicional para a label.
• lw: Carrega uma palavra da memória para um registrador.
• sw: Armazena uma palavra de um registrador na memória.
• li: Carrega um valor imediato em um registrador.
• la: Carrega o endereço de uma variável em um registrador.
• print: Exibe o valor de um registrador ou uma variável na saída padrão.

Além disso são suportados a declaração de varíaveis inteiras e vetores, juntamente com o labels para controle de fluxo. Exemplo de programa simples:

main:
li $t0 0
li $t1 10
li $t3 100
j loop

loop:
print $t0
add $t0 $zero $t1
blt $t0 $t3 loop

Compilação e Execução

Este código possui um arquivo CmakeLists.txt
As diretrizes de execução deste Cmake são:

cmake CMakeLists.txt	Apaga a última compilação realizada contida na pasta build
make	Executa a compilação do programa utilizando o gcc, e o resultado vai para a pasta build.
./Assembler testes/example.asm
mv output.bin testes
./CustomVonNeumannMachine testes/output.bin	Executa com programa da pasta teste

Autores

Frank Leite Lemos
Getulio Santos Mendes
Cesar Henrrique Soares
João Pedro Freitas de Paula Dias
Joao Gustavo Silva Guimarães
Leandro Sousa Costa