Microelettronica Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded

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1 Microelettronica Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded Richiami di elettronica digitale per i sistemi a microprocessore Dentro la CPU: registri e macchine sequenziali prof. Stefano Salvatori A.A. 2015/2016 Eccetto dove diversamente specificato, i contenuti di questo documento sono rilasciati sotto Licenza Creative Commons Attribuzione 3.0 Italia. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (1 di 61)

2 Sommario CPU come sistema schema a blocchi Registri Macchine sequenziali Mealy Moore diagramma degli stati S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (2 di 61)

3 Macchina di calcolo automatica la CPU esegue le diverse istruzioni attuando una sequenza di operazioni elementari fetch ADD M3, M2, M1 decode execute essa stessa sarà una macchina di tipo sequenziale vediamo i blocchi fondamentali di cui sarà composta S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (3 di 61)

4 Schema a blocchi di una generica CPU S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (4 di 61)

5 Elementi fondamentali di una CPU AI BUS ESTERNI incrementer SR FUNZ PC MAR MDR REG ALU BUS INTERNO SEGNALI DI CONTROLLO... DECODER IR R0 R1 BANCO DI REGISTRI Rn REG S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (5 di 61)

6 Elementi fondamentali di una CPU Unità di calcolo operazioni logiche, aritmetiche e shift di operandi Unità di controllo decoder multiplexer Registri per i dati per l'istruzione incrementer per puntare PC all'istruzione succ. AI BUS ESTERNI MAR MDR... DECODER IR SR FUNZ REG ALU R0 R1 BANCO DI REGISTRI Rn REG S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (6 di 61)

7 Concentriamoci sui registri Unità di calcolo operazioni logiche, aritmetiche e shift di operandi Unità di controllo decoder multiplexer Registri per i dati per l'istruzione incrementer per puntare PC all'istruzione succ. AI BUS ESTERNI MAR MDR... DECODER IR SR FUNZ REG ALU R0 R1 BANCO DI REGISTRI Rn REG S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (7 di 61)

8 Concentriamoci sui registri Come minimo Program Counter Registro per il codice operativo dell'istruzione registri per la ALU interfaccia per i bus esterni con buffer incrementer PC... DECODER AI BUS ESTERNI MAR MDR IR SR FUNZ REG ALU R0 R1 BANCO DI REGISTRI Rn REG S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (8 di 61)

9 Registri S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (9 di 61)

10 Registri Un registro è un elemento di memoria in grado di memorizzare un insieme di n bit composto da una serie di elementi bistabili l'informazione memorizzata in un registro prende il nome di parola 4 bit: nibble 8 bit: byte D in 16 bit: half word 32 bit: word enable clock 64 bit: double word... register E' spesso necessario avere un ingresso di abilitazione perché il clock è comune D out S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (10 di 61)

11 Registri Modalità di lettura e scrittura dei dati parallelo seriale Operazioni sui dati scorrimento a destra scorrimento a sinistra rotazione scrittura scrittura lettura lettura S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (11 di 61)

12 Registro parallelo Un registro parallelo è composto da più flip/flop di tipo D a cui giunge il medesimo segnale di clock clock D Q tempo di risposta S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (12 di 61)

13 Registro parallelo Ricordiamo i principali parametri dinamici di un flip/flop clock Data in Data out generalmente 0 tempo di risposta S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (13 di 61)

14 Registro parallelo Abilitazione per la lettura Se è necessario il segnale di abilitazione basterà usare una AND quale interruttore logico enable clock clock-out S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (14 di 61)

15 Registro a scorrimento In uno shift register l'ingresso di un flip/flop dipende dall'uscita del precedente scorrimento a destra S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (15 di 61)

16 Registro a scorrimento scorrimento bidirezionale per rotazione (e programmabilità) lo schema si complica ulteriormente S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (16 di 61)

17 Operazione di shift Gli operandi in ingresso alla ALU possono essere elaborati con operazioni di shift (moltiplicazione o divisione per potenze di 2) ALU shifter incrementer PC... DECODER AI BUS ESTERNI MAR MDR IR SR FUNZ REG ALU REG R0 R1 Rn BANCO DI REGISTRI S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (17 di 61)

18 Shift logico e shift aritmentico Logical Shift Left: LSL C b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 0 a sinistra Logical Shift Right: LSR 0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 C a destra S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (18 di 61)

19 Shift logico e shift aritmentico Arithmetic Shift Left: LSL C b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 0 a sinistra Arithmetic Shift Right: ASR b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 C a destra conserva il segno S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (19 di 61)

20 Rotazione Senza carry: b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 a sinistra b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 a destra Con carry: C a sinistra b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 C b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 a destra S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (20 di 61)

21 La soluzione col Barrel shifter S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (21 di 61)

22 Barrel shifter Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 D 3 D 2 right 3 bit D 1 right 2 bit D 0 D 3 D 2 D 1 D 0 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 left 3 bit left 2 bit left 1 bit right 1 bit no shift (copy) S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (22 di 61)

23 Barrel shifter Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 D 3 D 2 right 3 bit D 1 right 2 bit D 0 D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 shift left 1 bit left 3 bit left 2 bit left 1 bit right 1 bit no shift (copy) S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (23 di 61)

24 Barrel shifter Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 D 3 D 2 right 3 bit D 1 right 2 bit D 0 D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 shift right 2 bit left 3 bit left 2 bit left 1 bit right 1 bit no shift (copy) S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (24 di 61)

25 Barrel shifter D 3 D 2 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 come vanno scelte le diagonali per una rotazione? right 3 bit D 1 right 2 bit D 0 D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 rotate 1 bit left 3 bit left 2 bit left 1 bit right 1 bit no shift (copy) S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (25 di 61)

26 Un esempio ADD r1, r0, r0 LSL#2 r1 := r0 + r0 * 4 r0 r0 shifter come vanno scelte le diagonali per una rotazione? LSL 2 bit r1 := 5 x r0 ALU ADD Moltiplicazione per 5! Che istruzione aggiungiamo per avere x10? S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (26 di 61)

27 Un esempio Con un Cortex-M (istruz. a 2 indirizzi) : ADD r0, r0 LSL#2 r0 r0 shifter come vanno scelte le diagonali per una rotazione? LSL 2 bit r0 := r0 + r0 * 4 ALU ADD r0 := 5 x r0 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (27 di 61)

28 Interfacciamento su bus S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (28 di 61)

29 Interfacciamento su bus Diversi registri devono essere interfacciati in scrittura ai bus sia esterni che interni att.ne al conflitto incrementer PC... DECODER AI BUS ESTERNI MAR MDR IR SR FUNZ REG ALU R0 R1 BANCO DI REGISTRI Rn REG S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (29 di 61)

30 Buffer Tristate TM è un marchio della National Semiconductors (oggi acquisita da TI) enable IN OUT stato L o H stato ad alta impedenza stato L o H tempo S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (30 di 61)

31 Buffer Output Enable OE BUS OE clock OE OE S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (31 di 61)

32 Interfacciamento su bus D D D D Q Q Q Q D Q OE S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (32 di 61)

33 Schema buffer Occorre modificare il pilotaggio di un inverter CMOS V DD OE OUT data V SS S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (33 di 61)

34 Schema buffer bidirezionale V DD OE IN/OUT data data in V SS non serve il buffer: è la logica di controllo ad acquisire o meno il dato S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (34 di 61)

35 Macchine sequenziali S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (35 di 61)

36 Macchine sequenziali Il valore dell'uscita dipende dalla sequenza di ingressi ricevuti fino all'istante corrente a) serve una memoria (stato) b) l'uscita è ottenuta elaborando gli ingressi unitamente allo stato della macchina S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (36 di 61)

37 Esempio: sommatore seriale bit a bit Stato: riporto d'uscita (all'inizio '0') a 0 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a i sommatore s i s 0 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 b 0 b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 b i 1 bit c out M ck c in ck All'i-esimo fronte di clock, arriva in ingresso una coppia di bit del numero da sommare; l uscita è pari al bit i-esimo della somma S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (37 di 61)

38 Schema di una macchina generica La rete combinatoria calcola l'uscita e lo stato futuro La macchina cambia stato ad ogni fronte di clock sincrona x 0..n y 0..k rete combinatoria y' 0..k M z 0..m stato attuale stato futuro ck S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (38 di 61)

39 Macchina di Mealy Con questo tipo, in pratica la rete combinatoria sarà composta da due sezioni di calcolo : uscita stato calcolo stato calcolo uscita L'uscita cambia immediatamente al variare dell'ingresso x 0..n y' 0..k M z 0..m Macchina di Mealy y 0..k ck S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (39 di 61)

40 Macchina di Mealy Caratteristiche: x 0..n reazione rapida agli ingressi l'uscita si ha nel medesimo ciclo di clock senza dover attendere la sua fine questo può causare problemi quando si z pensa a circuiti sincroni 0..m connessi in reazione y 0..k C L C L y' 0..k M ck S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (40 di 61)

41 Macchine di Moore Per questo possiamo pensare a una macchina in cui l'uscita dipenda solo dallo stato Macchina di Moore calcolo stato x 0..n C L y' 0..k M calcolo uscita C L z 0..m y 0..k ck S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (41 di 61)

42 Mealy versus Moore Una macch. di Mealy tende ad avere meno stati diverse uscite (che dipendono dall'ingresso) a parità di stato Una macch. di Moore tende ad essere più sicura le uscite cambiano solo al fronte di clock buono per connessioni in retroazione Una macch. di Mealy reagisce più prontamente agli ingressi non bisogna attendere il fronte di clock di sincronismo la macch. di Moore richiede più logica per l'elaborazione dell'uscita in funzione dello stato e si avrà un ritardo ulteriore dovuto a tale logica S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (42 di 61)

43 Macchina di Mealy sincronizzata C L y' 0..k M z 0..m x 0..n C L y' 0..k M y 0..k ck In realtà abbiamo una macch. di Moore ma spesso quest'ottica semplifica il progetto S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (43 di 61)

44 Diagramma degli stati S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (44 di 61)

45 Diagramma degli stati Simbologia: stato transizione ingressi & uscite sulle transizioni e/o stati a seconda della macchina S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (45 di 61)

46 Riassumendo Le macch. di Mealy hanno, per ogni arco, un simbolo di entrata e uno di uscita. Nelle macch. di Moore l uscita è invece già codificata nel valore dello stato in cui si trova la macchina. È possibile trasformare una macchina di Mealy in una di Moore e viceversa, solitamente quelle di Moore hanno più stati. In una macch. di Mealy si ha una uscita durante ciascuna transizione. In una macch. di Moore si ha una uscita dopo che è avvenuta la transizione e questa uscita dipende solo dal nuovo stato della macchina. Moore produce quindi un primo output, associato allo stato iniziale, non presente in un automa di Mealy S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (46 di 61)

47 Un esempio Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: a b c : esce 1 altrimenti esce 0 reset S0 attesa stato fondamentale Cerchiamo una soluzione di tipo Mealy ing. / usc. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (47 di 61)

48 Un esempio reset a / 0 Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: S0 a b c : esce 1 altrimenti esce 0 ing. / usc. Mealy Se arriva 'a' potrei avere l'inizio della sequenza ho un cambiamento di stato S1 è arrivato 'a' S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (48 di 61)

49 Un esempio reset a / 0 Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: S0 b c / 0 a b c : esce 1 altrimenti esce 0 ing. / usc. Mealy S1 Viceversa, se arriva 'b' o 'c' aspetto la sequenza rimango nello stesso stato S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (49 di 61)

50 Un esempio reset a / 0 Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: S0 b c / 0 a b c : esce 1 altrimenti esce 0 ing. / usc. Mealy Se in S1 arriva 'b' ho già parte della sequenza cambio stato S2 S1 b / 0 è arrivato 'a-b' S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (50 di 61)

51 Un esempio reset a / 0 Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: S0 b c / 0 a b c : esce 1 c / 0 S1 altrimenti esce 0 ing. / usc. Mealy Con 'c' la sequenza è rotta ritorno in quello di attesa S2 b / 0 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (51 di 61)

52 Un esempio reset a / 0 Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: a b c : esce 1 S0 b c / 0 c / 0 S1 a / 0 altrimenti esce 0 ing. / usc. Mealy o rimango con un nuovo 'a' (la sequenza può essere ricominciata) S2 b / 0 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (52 di 61)

53 Un esempio reset a / 0 Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: a b c : esce 1 S0 b c / 0 c / 0 S1 a / 0 altrimenti esce 0 ing. / usc. Mealy c / 1 Se in S2 arriva 'c': sequenza OK: esce '1' e torno in attesa di una nuova S2 b / 0 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (53 di 61)

54 Un esempio reset a / 0 Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: a b c : esce 1 S0 b c / 0 c / 0 S1 a / 0 altrimenti esce 0 c / 1 b / 0 ing. / usc. S2 b / 0 Mealy Con 'b' la sequenza è interrotta S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (54 di 61)

55 Un esempio reset a / 0 Automa in grado di riconoscere una sequenza di simboli: a b c : esce 1 altrimenti esce 0 ing. / usc. Mealy S0 b / 0 b c / 0 c / 0 Con 'a' torno a S1 a / 0 c / 1 S2 a / 0 S1 b / 0 FINE! S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (55 di 61)

56 Un esempio reset Possiamo passare alla macchina equivalente di Moore c b stato usc. S3 1 S0 0 c a b a b c c a S2 0 S1 0 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (56 di 61) b a Moore: 4 stati

57 Secondo esempio Automa che riceve 3 possibili simboli: a, b, c. Esce '1' se il simbolo attuale coincide col precedente; Mealy '0' altrimenti. Fare per esercizio S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (57 di 61)

58 Secondo esempio reset Automa che riceve 3 possibili simboli: a, b, c. Esce '1' se il simbolo attuale coincide col precedente; '0' altrimenti. c / 1 Sf a / 0 b / 0 c / 0 a / 0 c / 0 C a / 0 b / 0 B c / 0 Mealy a / 1 A b / 0 b / 1 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (58 di 61)

59 Secondo esempio Automa che riceve 3 possibili simboli: a, b, c. Esce '1' se il simbolo attuale coincide col precedente; '0' altrimenti. Quale sarebbe la soluzione di tipo Moore? S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (59 di 61)

60 Secondo esempio con Moore Automa che riceve 3 possibili simboli: a, b, c. Esce '1' se il simbolo attuale coincide col precedente; '0' altrimenti. reset Sf 0 B0 0 a b ho bisogno di cadere in uno stato che mi dia l'uscita pari a 0 A0 0 esercizio: completare il diagramma b A1 1 a a S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (60 di 61)

61 Domande? S. Salvatori - Microelettronica marzo 2015 (61 di 61)