Roteiro de Aulas - Software Básico

11/08

Apresentação do Curso

• programa do curso
• critério de avaliação
• bibliografia
• introdução: hierarquia de abstrações em um sistema de computação

referência: Aho & Ullman, 4.2.

13/08

Arquitetura Típica de uma Máquina

Elementos Básicos

• CPU
• memória principal
• memória secundária
• dispositivos de E/S

CPU

• ALU
• registradores
• unidade de controle
  • ciclo de instrução

Memória Principal

• bytes
• palavras
• memória cache

Memória Secundária

• necessidade de persistência da informação

referência: Aho & Ullman, 4.3, 4.4.

18/08

Representação de Dados Básicos

Inteiros

• representação na base binária
• números sem sinal: representação direta
• números com sinal: representação em complemento a 2
  • representação de positivos e negativos em complemento a 2
  • operaçoes de soma e subtração (sempre reduzidas a soma)
  • possibilidade de overflow

referência: Patterson & Hennessy, 4.1, 4.2, 4.3.

obs: Não se deter nas referências a instruções da linguagem de máquina!

20/08

Representação de Dados Básicos (cont)

Operações bit a bit

• shift
• and bit a bit
• or bit a bit
• not bit a bit

Operações bit a bit em C

• operadores >>, <<, &, | e ~.
• exemplo de utilização
  • Manipulação de variável unsigned int flags, cujos bits 0, 1 e 2 indicam, respectivamente, se a variável é ou não palavra chave, global e externa.

exercícios

1. Que número na base 10 é representado por CA (hex), interpretado
   1. como número inteiro sem sinal?
   2. como inteiro em complemento a 2?
2. Converter 45 e -113 da base 10 para a representação em complemento a 2, somar as representações e converter de volta para a base 10.
3. No exemplo discutido em sala, da variável flags, verificar:
   1. Se a variável não é global nem externa.
   2. Se a variável é global mas não é externa.

referência: Patterson & Hennessy, 4.4.

25/08

Representação de Dados Básicos (cont)

Representação em ponto flutuante: padrão IEEE 754

• notação em ponto flutuante e normalização
• campos para sinal, mantissa e expoente
• padrão IEEE 754: precisão simples e dupla
  • uso de sinal e magnitude
  • expoente em notação com bias (excesso (2 elevado a (k-1)) - 1), onde k é o número de bits reservado para o expoente)
  • mantissa não inclui o 1 à esquerda do ponto binário, que fica sempre implícito
• soma de números em ponto flutuante: alinhamento e aproximação
• diferença da aritmética conceitual para a aritmética com representações limitadas: erros e perda de propriedades aritméticas.

referência: Patterson & Hennessy, 4.8, até pag. 283, e pags 304-305.

Discussão do exercício 3 da aula de 20/08

27/08

Representação de Dados Básicos (cont)

Representação de caracteres

• associação arbitrária de um código interno a cada caracter que se deseja representar
• código ASCII
• importante: não há distinção interna, na máquina, entre posições que representam números, instruções ou caracteres! Distinção fica por conta do programa!!!!

Exercícios

1. Suponha que temos uma variável unsigned int cabecalho, de 16 bits, com as informações:
   • bits 8 a 15: tamanho do pacote
   • bits 5 a 7: contador
   • bits 3 e 4: tipo do pacote
   • bit 2: indica se deve avisar origem caso ocorra erro
   • bit 1: indica se pacote exige ACK (confirmação de recebimento)
   • bit 0: não é usado
   crie código C para:
   1. Extrair tamanho do pacote (atribua a uma outra variável inteira)
   2. Mudar para indicar que não exige ACK
   3. Testar se pacote exige ACK
   4. Extrair contador
   5. Zerar contador
   6. Incrementar contador (não se preocupe em detectar overflow, mas use os itens anteriores de forma a garantir que não se estraga o campo de tamanho caso ocorra overflow!)
2. Represente o número -0,375 (base 10) em ponto flutuante IEEE 754, precisão simples. Dê o resultado em hexa.
3. Qual o número na base 10 representado pelo ponto flutuante (IEEE 754) C0A0 0000 (hexa)?
4. Como ficaria a representação da cadeia de caracteres 'ada', em C, em uma máquina com palavra de 32 bits:
   1. little-endian
   2. big-endian

1/09

Representação de Dados (cont)

• representação de arrays
  • offsets variáveis calculados em tempo de execução
• representação de structs
  • offsets constantes conhecidos em tempo de compilação

Linguagem Assembly: a linguagem MIPS

Registradores

• 32 registradores
• operações (exceto transferência) são sempre registrador-registrador!
• convenção: nomes começando com $
• convenção na forma de uso: $t0..$t7, $s0..$s7
• sempre que possível, variáveis locais de programas são alocadas diretamente em registradores!

Operações Aritméticas

• instruções registrador-registrador
• exemplo ADD
• compilação de comandos como a = b+c;
  • supondo variáveis mantidas em registradores!

Operações de Transferência de Dados

• transferência memória-registrador: LOAD
• transferência registrador-memória: STORE
• exemplos: LW e SW
  • acesso a campos de structs
  • acesso a campos de arrays

referência: Patterson & Hennessy, 3.1, 3.2, 3.3.

3/09

Instruções MIPS e Representação de Mecanismos de C (cont)

Arrays e ponteiros em C e tradução para assembly

• o conceito de ponteiro em C
• ponteiros e arrays: semelhanças e diferenças
• aritmética com ponteiros
• arrays multidimensionais - cálculo de endereço de um campo

Representação de Intruções MIPS

• tamanho fixo de 32 bits
• campos e diferentes formatos de instruções

importante: Não há distinção entre instruções e dados para a máquina! A sequÊncia de endereços usados como ponteiros para instruções e os dados usados nas instruções é que determinam o que é instrução e o que é dado!

referências: Patterson & Hennessy, 3.4, K&R, capítulo 5.

8/09

Instruções para Tomada de Decisão

• importância de condicionais e repetições!

1. código gerado para um if simples
   • instruções beq e bne
2. código gerado para um if-then-else
3. código gerado para while e do ... while
   • instrução slt
4. comandos break e continue
5. código gerado para um for
6. código gerado para um switch
   • idéia de uma tabela de jumps !!

exercícios:

Suponha que as variáveis f, g, h, i, j e k estão armazenadas nos registradores $s0 .. $s5.

1. Mostrar o código MIPS que seria gerado para

   do
     f = f+g;
     if (f > i) break;
     g = g-k;
   while (g > 0);
   

2. Supondo que o endereço de a está armazenado em $s6, mostrar o código MIPS que seria gerado para

   while (i < j)
     a[i] = j;
   

referências: Patterson & Hennessy, 3.5.

10/09

Instruções MIPS e Representação de Mecanismos C (cont)

Chamadas de Funções

referências: Patterson & Hennessy, 3.6.

15/09

Instruções MIPS e Representação de Mecanismos C (cont)

Funções e Procedimentos

• convenções: registradores $a0.. $a3, $v0, $v1, $t0..$t9
• exemplo de subrotina: strcopy
• exercícios
  1. void memfill (char *m, int n, char c)
  2. void memcpy (char *d, char *o, int n)
  3. int strlen (char *s)

referências: Patterson & Hennessy, A.6 e A.10.