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#+title: 1 -- Arquitetura de computadores
#+author: Blau Araujo
#+email: cursos@blauaraujo.com

#+options: toc:3

* Objetivos

- Compreender os principais componentes de um computador sob o modelo de von Neumann.
- Primeiro contato com os registradores da arquitetura x86_64.
- Entender a relação entre o hardware e código Assembly.
- Criar um primeiro programa em Assembly com uma chamada de sistema.

* Modelo de von Neumann

Um computador possui:
  
- Unidade de processamento (ALU + Controladora)
- Memória (armazenamento de instruções e dados)
- Dispositivos de entrada/saída

#+begin_example
            ┌───────────────────────────────────────┐
            │  UNIDADE DE PROCESSAMENTO (CPU)       │
            │                                       │
            │  • Unidade Lógica e Aritmética (ALU)  │
            │  • Unidade de Controle (CU)           │
            └───────────────────┬───────────────────┘
                                │
            ┌───────────────────┴───────────────────┐
            │               BARRAMENTO              │
            └───────┬──────────────────────┬────────┘
                    │                      │
            ┌───────┴───────┐     ┌────────┴────────┐
            │    MEMÓRIA    │     │ DISPOSITIVOS DE │
            │               │     │ ENTRADA E SAÍDA │
            └───────────────┘     └────────┬────────┘
                                           │
                                  ┌────────┴────────┐
                                  │  ARMAZENAMENTO  │
                                  └─────────────────┘

#+end_example

A arquitetura de Von Neumann é um modelo de hardware no qual a Unidade Central
de Processamento (CPU) e a memória utilizam um espaço único de armazenamento
para guardar tanto as instruções dos programas quanto os dados. Isso significa
que a CPU acessa a mesma memória para buscar instruções e para ler ou gravar
dados, utilizando um único barramento para ambas as operações.

Resumindo, no modelo de Von Neumann:
  
- Instruções e dados compartilham o mesmo espaço de memória.
- A CPU executa o ciclo: busca → decodificação → execução.

Em outros modelos da época (como a arquitetura de Harvard):

- Instruções e dados armazenados em memórias separadas.
- A CPU executa o ciclo: busca → decodificação → execução, podendo buscar
  dados e instruções em paralelo.

** Influência nas arquiteturas modernas

O modelo de Von Neumann influenciou profundamente as arquiteturas modernas de
computadores, estabelecendo a base para a maioria dos designs de sistemas
computacionais atuais. Algumas das principais influências incluem:

- Memória unificada ::

  A ideia de compartilhar a mesma memória para dados e instruções se manteve
  como o padrão em muitas arquiteturas modernas, simplificando o design dos
  sistemas, embora existam variações: como a memória cache, que separa dados e
  instruções em níveis mais próximos ao processador.

- Ciclo de busca, decodificação e execução ::

  O modelo de Von Neumann introduziu o ciclo básico de execução de instruções,
  que ainda é fundamental em CPUs modernas. As arquiteturas atuais, como x86 e
  ARM, seguem esse ciclo de maneira semelhante, embora com otimizações como a
  /pipelining/, onde múltiplas fases do ciclo podem ser realizadas em paralelo.

- Programação e flexibilidade ::

  O modelo permite que os programas sejam tratados como dados, o que possibilita
  a criação de sistemas que podem ser facilmente modificados e adaptados. Isso
  contribui para o desenvolvimento de linguagens de programação de alto nível,
  sistemas operacionais e aplicativos dinâmicos.

- Simplicidade e custo ::

  O modelo de Von Neumann simplificou o design de computadores ao integrar a
  memória de instruções e dados. Isso contribuiu para a redução de custos de
  hardware, tornando os sistemas mais acessíveis e facilitando o desenvolvimento
  de sistemas comerciais e pessoais.

#+begin_quote
*Nota:* A /pipelining/ (do conceito de /"linha de montagem"/) é uma técnica de
 execução paralela em que múltiplas instruções são processadas simultaneamente
 em diferentes /estágios/ do ciclo de execução para aumentar o desempenho da
 CPU. Isso difere do conceito geral de /paralelismo/, onde /tarefas completas/, e
 não estágios do processamento, são executadas simultaneamente.
#+end_quote

** Gargalo de Von Neumann

O gargalo de Von Neumann é uma limitação de desempenho causada pelo fato de
que a CPU e a memória compartilham o mesmo barramento para acessar instruções
e dados.

Isso significa que:

- A CPU não pode buscar uma instrução e acessar dados ao mesmo tempo.
- O tempo de espera entre operações aumenta, especialmente em programas que
  exigem muitos acessos à memória.
- A largura de banda do barramento se torna um fator crítico para o desempenho.

Esse gargalo levou ao desenvolvimento de soluções como:

- Memória cache (para reduzir acessos à RAM)
- Execução paralela e /pipelines/
- Arquiteturas modificadas (como o modelo Harvard modificado)

#+begin_quote
*Nota:* A /arquitetura Harvard modificada/ é uma variação do modelo de Von Neumann
que usa memórias separadas internamente (como em caches) para dados e instruções,
mantendo um espaço de memória unificado do ponto de vista do programador.
#+end_quote

* Arquiteturas x86

A arquitetura x86 é uma família de conjuntos de instruções (ISA – /Instruction
Set Architecture/) baseada no modelo de Von Neumann e desenvolvida originalmente
pela Intel a partir do processador 8086. Todas as CPUs x86 implementam (ou
emulam) o conjunto de instruções da Intel 8086 (16 bits), lançada em 1978.

Como uma evolução prática do modelo de Von Neumann, a arquitetura x86 implementa
otimizações como:

- Uso extensivo de memória cache.
- Execução fora de ordem (/out-of-order execution/).
- /Pipelines/ e paralelismo interno.

** Características

- ISA complexa (CISC – /Complex Instruction Set Computing/), com centenas de
  instruções e modos de endereçamento.
- Suporte a múltiplos tamanhos de palavra (16, 32 e 64 bits nas versões modernas).
- Registradores de uso geral (AX, BX, CX, etc.) e segmentados (CS, DS, SS...,
  não utilizados no Linux), herdados de versões mais antigas.
- Ampla compatibilidade com versões anteriores (retrocompatibilidade).
- Utilizada em desktops, laptops e servidores, sendo a base da maioria dos PCs atuais.

#+begin_quote
*Nota:* Embora a arquitetura x86 inclua registradores segmentados (como CS, DS,
 ES, SS), o Linux não faz uso da segmentação de memória no modo protegido. Em
 vez disso, ele utiliza o chamado /endereçamento plano/, tratando toda a memória
 como um único espaço contínuo. A segmentação é mantida apenas em um nível
 mínimo para atender exigências da arquitetura (como troca de contexto e
 proteção básica), mas a segmentação lógica, como era usada no MS-DOS, é
 totalmente evitada.
#+end_quote

** Gerações da família x86:

|    Processador |  Ano | Registradores | Endereçamento                  | Modos de operação        | Destaques principais                                            |
|----------------+------+---------------+--------------------------------+--------------------------+-----------------------------------------------------------------|
|           8086 | 1978 | 16 bits       | 20 bits (1 MB)                 | Real mode                | Primeiro da linha x86, sem proteção ou multitarefa              |
|          80286 | 1982 | 16 bits       | 24 bits (16 MB)                | Real, Protected          | Introduziu o modo protegido e privilégio de acesso por segmento |
|          80386 | 1985 | 32 bits       | 32 bits (4 GB)                 | Real, Protected, Virtual | Registradores de 32 bits, suporte à paginação, multitarefa      |
|          80486 | 1989 | 32 bits       | 32 bits                        | Idem 80386               | Pipeline simples, cache L1, primeira versão com FPU integrada   |
|        Pentium | 1993 | 32 bits       | 32 bits                        | Idem 80486               | Pipeline duplo, superscalar, introdução de MMX                  |
|    Pentium Pro | 1995 | 32 bits       | 36 bits (PAE)                  | Idem                     | Execução fora de ordem, cache L2 on-die, suporte a PAE          |
| x86-64 (AMD64) | 2003 | 64 bits       | 48 bits virtuais (até 57 hoje) | Real, Protected, Long    | ISA de 64 bits, registradores expandidos, compatível com x86    |

A transição da arquitetura x86 de 32 para 64 bits foi liderada pela AMD com a
criação da AMD64 em 2003. Essa extensão manteve compatibilidade com o conjunto
de instruções x86 original (IA-32), mas adicionou registradores de 64 bits e
suporte a endereçamento ampliado. Posteriormente, a Intel adotou essa mesma
arquitetura sob o nome Intel 64 (anteriormente chamada EM64T), e o termo x86_64
passou a ser usado de forma genérica para se referir à arquitetura compatível
com AMD64. Assim, o AMD64 é a origem técnica da arquitetura x86 de 64 bits
utilizada na maioria dos sistemas modernos.

** Comparativo com outras arquiteturas

Todas as arquiteturas modernas seguem, em maior ou menor grau, os princípios
do modelo de Von Neumann. No entanto, diferem na forma como organizam e executam
instruções. Veja o comparativo:

*x86 (CISC – /Complex Instruction Set Computing/):*

- Conjunto de instruções extenso e complexo.
- Instruções de vários tamanhos e com múltiplos modos de endereçamento.
- Maior consumo de energia, mas com alta compatibilidade e maior desempenho bruto.
- Retrocompatibilidade com código legado.
- Comum em PCs, laptops e servidores.

*ARM (RISC – /Reduced Instruction Set Computing/)*

- Conjunto de instruções reduzido e regular.
- Foco em simplicidade, baixa energia e eficiência.
- Desempenho por watt muito superior ao x86.
- Predominante em dispositivos móveis (smartphones, tablets) e embarcados.
- ARM64 (AArch64) é a versão de 64 bits moderna.

*RISC-V (RISC e /open source/):*

- ISA aberta, modular e extensível.
- Sem royalties: qualquer um pode implementar.
- Design limpo e simples, adequado para pesquisa, educação e sistemas customizados.
- Crescimento em sistemas embarcados e processadores personalizados.

*Resumo comparativo:*

| Arquitetura | Tipo | Complexidade | Consumo | Uso comum                     |
|-------------+------+--------------+---------+-------------------------------|
| x86         | CISC | Alta         | Alto    | PCs, laptops, servidores      |
| ARM         | RISC | Média        | Baixo   | Celulares, IoT, Apple M1+     |
| RISC-V      | RISC | Baixa        | Baixo   | Pesquisa, sistemas embarcados |

* Componentes de uma CPU x86_64

- Unidade de Controle (/Control Unit/ - CU) ::

  Gerencia o fluxo de dados e as instruções dentro da CPU, coordenando as operações
  de execução.

- Unidade Lógica e Aritmética (ALU – /Arithmetic and Logic Unit/) ::

  Responsável pela execução de operações aritméticas (soma, subtração, etc.) e
  lógicas (AND, OR, NOT, etc.).

- Registradores de uso geral ::

  Utilizados para armazenar dados temporários durante a execução de instruções
  (ex.: RAX, RBX, RCX, etc.).

- Registradores de propósito específico ::

  Como o ponteiro de pilha (RSP), ponteiro de instrução (RIP) e flags (como EFLAGS).

- Registradores de segmentos ::

  Armazenam endereços de segmentos de memória para código (CS), dados (DS) e pilha
  (SS), além dos registradores de segmentos adicionais para dados (ES, FS e GS).

- Cache ::

  Memória de acesso ultrarrápido usada para armazenar dados frequentemente
  acessados, visando reduzir o tempo de acesso à memória principal. Normalmente
  dividida em L1, L2 e, em algumas CPUs, L3.

- Barramentos ::

  Conjunto de trilhas de comunicação que transportam dados entre a CPU e outros
  componentes, como a memória, dispositivos de entrada/saída e outros núcleos.

- Unidade de Execução (/Execution Unit/ – EU) ::

  Responsável por executar as instruções. Em CPUs modernas, pode haver múltiplas
  unidades de execução para executar diferentes tipos de operações em paralelo.

- Decodificador de Instruções ::

  Interpreta as instruções da linguagem de máquina (bytecode) e as converte para
  operações que podem ser executadas pela ALU ou outras unidades de execução.

- Unidade de carga e armazenamento (/Load-Store Unit/ - LSU) ::

  Controla o carregamento e armazenamento de dados na memória, realizando
  operações de leitura e escrita.

- Unidade de Endereçamento (/Address Generation Unit/ - AGU) ::

  Calcula endereços de memória, especialmente no contexto de operações de acesso
  à memória e cálculo de ponteiros.

- Controlador de Interrupções (/Interrupt Controller/) ::

  Responsável por lidar com interrupções externas e internas, gerenciando a
  prioridade e o tratamento adequado das interrupções no sistema.

* Principais registradores e seus propósitos (64 bits)

- =RAX=: acumulador/propósito geral
- =RBX=: base/propósito geral
- =RCX=: contador/propósito geral
- =RDX=: dados/propósito geral
- =RSI=: índice de origem
- =RDI=: índice de destino
- =RSP=: ponteiro da pilha
- =RBP=: base da pilha
- =RIP=: ponteiro de instrução
- =RFLAGS=: sinalizações diversas

A arquitetura x86_64 ainda inclui oito registradores de propósito geral, de =R8=
a =R15=.

** Relação com outras arquiteturas x86

Cada um dos registradores de 64 bits pode ser dividido em partes que, de certo
modo, correspondem às capacidades de 32 e 16 bits de outras arquiteturas da
família x86. Tomando o registrador =RAX= como exemplo:

#+begin_example
┌────────────────────────────────────────────────────┐
│                       RAX                          │ 64 bits
└────────────────────────┬───────────────────────────┤
                         │           EAX             │ 32 bits
                         └────────────┬──────────────┤
                                      │      AX      │ 16 bits
                                      ├───────┬──────┤
                                      │  AH   │  AL  │
                                      └───────┴──────┘
#+end_example

#+begin_quote
*Importante:* O diagrama não mostra registradores diferentes, mas os nomes
pelos quais as subdivisões do registrador podem ser acessadas!
#+end_quote

Aplicando a mesma ideia aos principais registradores, os nomes de suas
subdivisões seriam:

| 64 bits | 32 bits | 16 bits | 8 bits "altos" | 8 bits "baixos" |
|---------+---------+---------+----------------+-----------------|
| RAX     | EAX     | AX      | AH             | AL              |
| RBX     | EBX     | BX      | BH             | BL              |
| RCX     | ECX     | CX      | CH             | CL              |
| RDX     | EDX     | DX      | DH             | DL              |
| RSI     | ESI     | SI      | (sem acesso)   | SIL             |
| RDI     | EDI     | DI      | (sem acesso)   | DIL             |
| RSP     | ESP     | SP      | (sem acesso)   | SPL             |
| RBP     | EBP     | BP      | (sem acesso)   | BPL             |
| RIP     | EIP     | IP      | (sem acesso)   | (sem acesso)    |
| R8      | R8D     | R8W     | (sem acesso)   | R8B             |
| ...     | ...     | ...     | ...            | ...             |
| R15     | R15D    | R15W    | (sem acesso)   | R15B            |

#+begin_quote
*Nota:* Assim como os registradores de R8 a R15, nem todas as subdivisões
existiam nas arquiteturas de 32 e 16 bits da família x86, ou seja, elas só
foram introduzidas na arquitetura x86_64.
#+end_quote

* Primeiro exemplo em Assembly x86_64

Apenas para apresentar a aparência de um código em Assembly, aqui está o
código de um programa que não faz nada além de terminar com o estado de
término =42=...

Arquivo [[exemplos/01/exit42.asm][exit42.asm]]

#+begin_src asm :tangle exemplos/01/exit42.asm
; Retorna 42 como estado de término

section .text
    global _start

_start:
    mov     rax, 60        ; syscall: exit
    mov     rdi, 42        ; código de saída
    syscall
#+end_src

O programa é pequeno, mas nos dá a oportunidade de conhecer muitos dos elementos
de um programa escrito com a linguagem Assembly.

** Seção do código executável

#+begin_src asm
section .text
#+end_src

A diretiva =section= não é uma instrução da CPU, mas uma orientação sobre como
o binário do programa deverá ser montado. No caso do exemplo, estamos dizendo
ao montador que tudo que vier depois de =section=, até que se encontre outra
definição de seção, deve ser montado na seção =.text= do binário. O nome =.text=
é uma convenção que se refere à seção das instruções do programa em si (o seu
código, essencialmente).

** O ponto de entrada

#+begin_src asm
global _start
#+end_src

A diretiva =global= diz ao montador que um determinado /rótulo/ (como =_start=)
deve ser visível fora do arquivo em que é escrito. Em outras palavras, o
símbolo marcado com =global= pode ser referenciado por outros arquivos durante
o processo de link-edição. No exemplo, =_start= é o rótulo que representa, por
padrão, o endereço da primeira instrução a ser executada em um programa ou,
como se costuma dizer, o seu /ponto de entrada/.

** Chamada de sistema

Nem todo programa em Assembly fará chamadas de sistema, que são funções
internas do kernel para diversas finalidades que envolvam o acesso aos
recursos do hardware ou controlados pelo sistema. No exemplo, porém, nós
queremos utilizar a chamada de sistema =exit= para terminar a execução do
programa retornando o valor =42= para o sistema operacional.

Para isso, nós temos que seguir as convenções de chamada, definidas pelo
kernel para a arquitetura x86_64. Essas convenções estabelecem, por exemplo,
quais registradores devem ser utilizados para receber a identificação da
chamada de sistema e os argumentos que serão passados para ela.

No caso da chamada de sistema =exit=:

- O registrador =rax= deve receber o valor =60= (identificação da chamada =exit=).
- O registrador =rdi= deve receber o valor que será retornado como estado de
  término (=42=).

Sendo assim, nós utilizamos as instruções =mov= para carregar (mover) os
valores esperados (argumentos) nos registradores apropriados:

#+begin_src asm
mov     rax, 60        ; syscall: exit
mov     rdi, 42        ; código de saída
#+end_src

Em seguida, nós utilizamos a instrução =syscall= para informar à CPU que
ela deveria invocar a chamada de sistema definida:

#+begin_src asm
syscall
#+end_src

** Montagem e execução (no terminal)

#+begin_example
:~$ nasm -f elf64 -o exit42.o exit42.asm
#+end_example

O resultado desse comando é a geração de um arquivo binário que nós chamamos
de /objeto/ (com terminação =.o=). O arquivo objeto contém a tradução de todo o
código em Assembly para código de máquina e já poderia, por exemplo, ser
compilado com outros objetos para compor um programa completo, mas ainda não
é capaz de ser executado.

Para isso, é necessário submeter o objeto a diversos procedimentos finais
chamados de /link-edição/ -- no caso, com o editor de ligações =ld=: 

#+begin_example
:~$ ld -o exit42 exit42.o
#+end_example

Assim, o editor de ligações =ld=:

- Resolve endereços e símbolos (como =_start=);
- Organiza o layout final do programa;
- Adiciona seções obrigatórias (como os cabeçalhos ELF);
- Produz um binário executável.

Com o binário final gerado, nós podemos executá-lo e testar seu estado
de término com:

#+begin_example
:~$ ./exit42
:~$ echo $?
42
#+end_example

Onde =$?= é a expansão do parâmetro especial do shell =?=, que registra o estado
de término do último comando executado. Então, com o valor em =?= expandido,
nós podemos imprimi-lo com o comando interno =echo=.

* Exercícios sugeridos

1. Antecipe-se e pesquise o que são "chamadas de sistema" (/syscalls/).
2. Modifique o programa Assembly para retornar "sucesso", segundo as convenções
   do shell do GNU/Linux.
3. Por que eu usei o termo "montagem" para me referir à produção do arquivo
   binário a partir do código-fonte?
4. Escreva um programa em qualquer linguagem de alto nível que reproduza o
   funcionamento do exemplo em Assembly.

* Referências

- [[https://a.co/d/8Dm1Z93][Organização e Projeto de Computadores -- David A. Patterson e John L. Hennesy]]
- [[https://a.co/d/9QtcLPI][Organização Estruturada de Computadores -- Andrew S. Tanenbaum]]
- [[https://namazso.github.io/x86/][Intel® 64 and IA-32 Instruction Set Reference]]
- [[https://wiki.osdev.org/CPU_Registers_x86-64][OS Dev: CPU Registers x86-64]]
- [[https://blog.rchapman.org/posts/Linux_System_Call_Table_for_x86_64/][Linux System Call Table for x86 64]]
- [[https://www.gnu.org/software/bash/manual/bash.html#Exit-Status][Manual do Bash: Estado de Saída]]
- =man 2 exit=