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#+title: Aula 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.
- Reconhecer os registradores da arquitetura x86_64.
- Entender a relação entre hardware e código Assembly.
- Executar o primeiro programa 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

O modelo de Von Neumann é uma arquitetura de computadores em que a unidade
central de processamento (CPU) e a memória compartilham um único espaço de
armazenamento, tanto para dados quanto para instruções de programa. Isso
significa que o processador acessa a memória de forma sequencial para buscar
dados e instruções, utilizando um único barramento para ambas as operações.

No modelo de Von Neumann:
  
- Instruções e dados compartilham o mesmo espaço de memória.
- A CPU executa o ciclo: busca → decodifica → executa.

Como era antes:

- Instruções e dados armazenados em memórias separadas.
- A CPU executa o ciclo: busca → decodifica → executa, mas pode realizar a busca
  de 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.

Assim como no modelo de Von Neumann:

- Dados e instruções compartilham o mesmo espaço de memória.
- A CPU segue o ciclo: busca → decodifica → executa.

#+begin_quote
*Nota:* 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, AMD64 é a origem técnica da arquitetura x86 de 64 bits utilizada
na maioria dos sistemas modernos.
#+end_quote

** 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

** Otimizações em relação ao modelo de Von Neumann

A arquitetura x86 é uma evolução prática do modelo de Von Neumann, com
otimizações como:

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

** 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=.

* Primeiro exemplo em Assembly x86_64

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

** Compilação e execução (no terminal)

#+begin_example
:~$ nasm -f elf64 -o exit42.o exit42.asm
:~$ ld -o exit42 exit42.o
:~$ ./exit42
:~$ echo $?
42
#+end_example

* Exercícios sugeridos

1. Modifique o programa Assembly para retornar "sucesso".
2. Desmonte (=objdump -d=) os binários gerados e compare os códigos de máquina.
3. Use =strace ./exit42= para verificar a chamada de sistema realizada.

* Referências

- [[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]]
- =man 2 exit=