Il processore: unità di elaborazione e unità di controllo (3)

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1 Il processore: nità di elaborazione e nità di lo () rchitettre dei Calcolatori (lettere -I) Limitazione del ciclo singolo I tempi di accesso per le diverse istrzioni variano, ad esempio ccesso in memoria: 6 ns ccesso ad n registro: ns ddizione: ns oltiplicazione: ns I tempi dipendono dall implementazione Come scegliere il clock nel singolo ciclo L operazione più lenta definisce la drata del ciclo di clock Si sceglie il clock come la lnghezza del percorso più lngo (percorso critico) rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini

2 Il percorso critico Istrzioni logico-aritmetiche di formato R emoria istrzioni Lettra registri m m Scrittra registro Istrzione lw per accesso alla memoria in lettra emoria istrzioni Lettra registri m Percorso critico emoria dati Istrzione sw per accesso alla memoria in scrittra emoria istrzioni Lettra registri m emoria dati m Scrittra registro Istrzione beq emoria istrzioni Lettra registri cmp m rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Il percorso critico: istrzione lw anco dei registri e memoria ideale: L inpt CLK è determinante SOLO drante le operazioni di scrittra Drante le operazioni di lettra, comportamento come logica combinatoria: Indirizzo valido => Otpt valido dopo il tempo di accesso Net Ideal emory Rd 5 Rw Ra Rb -bit Critical Path (Load eration) = s Clk-to-Q + emory s ccess Time + Register File s ccess Time + to Perform a -bit dd + Data emory ccess Time + Setp Time for Register File + Clock Skew Clk Clk rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Clk Rs 5 Rt 5 Imm 6 Data Data In Ideal Data emory

3 Dal ciclo singolo al ciclo mltiplo Nel singolo ciclo le dplicazioni non necessarie sono De memorie (istrzione e dati) e de sommatori Usare cicli mltipli per l eseczione della stessa istrzione semplificherà il diagramma d es., riseremo la per le somme necessarie Per poter tilizzare in cicli diversi le stesse componenti (memoria e ) Sono necessari dei registri addizionali che mantengano i valori tili tra n ciclo ed n altro Un assnzione per l nità a ciclo mltiplo In n ciclo di clock viene fatta na sola operazione tra ccesso in memoria ccesso al banco dei registri ( lettre o scrittra) erazione della rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Dal ciclo singolo al ciclo mltiplo: per ridrre il tempo di clock rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 5

4 Dal ciclo singolo al ciclo mltiplo: i registri Si aggingono qindi i segenti registri: Un registro per memorizzare l istrzione caricata dalla memoria, detto Register (IR) Un registro per memorizzare il dato letto in memoria, detto emory Data Register (DR) Sono necessari entrambi, perché nello stesso ciclo di clock saranno necessari entrambi i valori Una coppia di registri e per memorizzare i valori letti dai registri nel banco dei registri Un registro Ot per memorizzare l otpt della rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 6 Unità di elaborazione a ciclo mltiplo: na vista astratta Contiene l istrzione emory Data or emory Data Register # Register # Register # Dati dal primo registro Ot Dati dalla memoria Risltato della Dati dal secondo registro rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 7

5 Una vista più dettagliata Poiché le nità fnzionali sono condivise, occorre aggingere dei mltipleer ed ampliare qelli già esistenti nel ciclo singolo Dovendo condividere la Si agginge n mltipleer per il primo ingresso della per selezionare il registro (primo registro) oppre il (per il calcolo dell indirizzo dell istrzione sccessiva) Il mltipleer a vie sl secondo ingresso della viene ampliato a vie Una per il valore (per il calcolo dell indirizzo dell istrzione sccessiva) Una per il valore dell indirizzo (6 bit, estesi in segno a e traslati a sinistra) rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 8 Una vista più dettagliata () s primo ingresso s secondo ingresso rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 9

6 I segnali di lo Nell nità a ciclo mltiplo occorre cambiare anche l insieme dei segnali di lo Gli elementi di memoria visibili al programmatore (il, la memoria ed i registri), l IR hanno bisogno di n segnale di lo per la scrittra La memoria ha anche bisogno di n segnale di lo per la lettra Ciascno dei de mltipleer a de vie agginti ha bisogno di n segnale di lo a bit Il mltipleer a qattro vie ha bisogno di n segnale di lo a bit rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini L nità con i segnali di lo Indirizzo da o da Registro da scrivere viene da rt o da rd em em IR Reg Src emory emdata [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] emory [5 ] 6 etend reslt Ot [5 ] emtoreg Src rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini

7 Implementazione dei salti Per le istrzioni di jmp e branch, ci sono tre possibili sorgenti per il valore da scrivere in L otpt della, con il valore + calcolato drante la fase di fetch dell istrzione Il registro Ot, dove è memorizzato l indirizzo del branch na volta che è stato calcolato I 6 bit meno significativi dell IR traslati a sinistra di e concatenati con i bit più significativi del incrementato, se l istrzione è di jmp rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Implementazione dei salti: jmp Prelievo dei 6 bit per jmp emory emdata [-6] [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] emory Cond em em emtoreg IR [5 ] [5 ] Otpts [5 ] Sorce Src Src 6 Reg etend [5 ] rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini [-8] reslt Jmp address [-] Ot Scelta del valore da scrivere in : : + : indirizzo del salto condizionato : indirizzo di jmp

8 Implementazione dei salti: beq In OR con per indicare la scrittra di (dalla ) ND Cond Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg emory emdata [-6] [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] emory IR [5 ] [5 ] [5 ] 6 etend [-8] reslt Jmp address [-] Ot Scelta del valore in [5 ] rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Il lo della come inpt Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg IR [5 ] emory emdata [-6] [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] emory [5 ] [5 ] 6 etend [-8] reslt Jmp address [-] Ot bit di lo alla come otpt [5 ] 6 bit di fnct come inpt Unità di lo della rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 5

9 Segnale Reg Src em em emtoreg IR Cond I segnali di lo ad bit Effetto qando vale Registro destinazione = rt Nessno Il primo operando di è Nessno Nessno Il valore in (registri) viene da Ot L indirizzo proviene da Nessno Nessno Nessno Effetto qando vale Registro destinazione = rd Nel registro indicato sll ingresso viene scritto il valore Il primo operando di è registro Lettra della locazione di memoria indicata da Scrittra della locazione di memoria indicata da Il valore in (registri) viene da DR L indirizzo proviene da Ot Uscita memoria scritta in IR Scrittra in : provenienza da Sorce Scrittra in se di è rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 6 I segnali di lo a bit Segnale Scr Sorce Val Effetto L calcola la somma L calcola la sottrazione erazione determinata dal campo fnct Il secondo ingresso della : proviene da reg. : è la costante : il valore dei 6 bit meno sign. di IR, estesi a : il valore dei 6 bit meno sign. di IR, estesi a, traslati a sinistra di bit In viene scritta l scita della (+) In viene scritto Ot (indirizzo di beq) In viene scritto l indirizzo di jmp (6 bit meno sign. di IR, traslati a sinistra di bit e concatenati con i bit più sign. di ) rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 7

10 L nità di elaborazione mlti-ciclo Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg emory emdata [-6] [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] IR [5 ] [5 ] [5 ] [-8] reslt Jmp address [-] Ot emory 6 etend [5 ] rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 8 Eseczione di na istrzione in più cicli Obiettivo: Decomporre le istrzioni in modo da bilanciare il carico di lavoro in ogni ciclo (e minimizzare la drata del ciclo di clock) Sddividiamo le istrzioni in na serie di passi Ogni passo coincide con n ciclo di clock Ogni passo comprende al più: Un operazione con la Un accesso al banco dei registri Un accesso alla memoria In qesto modo, la drata del ciclo di clock sarà pari alla drata della più lenta di qeste tre operazioni rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 9

11 lla fine di ciascn ciclo di clock Ttti i valori che sono necessari al passo sccessivo Sono memorizzati in qalche componente d esempio Il Program Conter Il banco dei registi La memoria Uno dei registri addizionali,, DR oppre Ot IR (dotato di segnale di lo per la scrittra) IR è l nico tra i registri addizionali a contenere lo stesso dato (l istrzione) per ttti i passi di eseczione di na istrzione rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini La scrittra nei registri Distingiamo tra La scrittra in n singolo registro (,,, ) La scrittra nel banco dei registri Che necessita di n ciclo di clock aggintivo otivazione Il banco dei registri ha na logica di lo ed n corrispondente tempo di accesso speriore a qello dei singoli registri Qindi, per ridrre il ciclo di clock, dobbiamo necessariamente richiedere più cicli di clock per poter completare gli accessi al banco dei registri rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini

12 I passi di eseczione di n istrzione L eseczione di na istrzione si compone di 5 passi. Prelievo (fetch) dell istrzione Si carica IR e si incrementa. Decodifica dell istrzione e caricamento dei registri Si leggono i de registri e si calcola l indirizzo del salto condizionato. Eseczione, calcolo dell indirizzo di memoria e salto è il primo passo realmente dipendente dal tipo di istrzione. ccesso alla memoria o completamento istrzione di tipo R 5. Completamento lettra dalla memoria rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Come indicare le operazioni Per indicare le operazioni compite in n ciclo siamo la notazione Register Transfer Langage (RTL) Sintassi semplice lcni esempi: IR = emoria[] Trasferimento della locazione di memoria indirizzata da in IR = + Incremento del Program Conter di IR[5-] Indica i 5 bit di IR dal bit 5 al bit Reg[IR[5-]] Registro indirizzato dai bit di IR da 5 al rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini

13 Passo : prelievo dell istrzione Obiettivo Caricare l istrzione dalla memoria in IR ed incrementare il Program Conter E n passo comne a ttte le istrzioni Non abbiamo ancora letto l istrzione e qindi non ci pò essere nessna differenza Le operazione esegite: IR = emoria[]; = + ; rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Passo : prelievo dell istrzione () L implementazione di qesto passo richiede di settare i segenti segnali di lo Per la lettra dell istrzione em = Lettra dalla memoria IR = Scrittra dell Register (IR) = Per selezionare come sorgente dell indirizzo Per l incremento di Src = Per inviare il alla come primo operando Src = Per inviare alla come secondo operando = Per fare effettare la somma alla = e Sorce = Per memorizzare l indirizzo calcolato dalla (+) in rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 5

14 Passo : prelievo dell istrzione () emory emdata istrzione [-6] [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] Cond em em emtoreg IR [5 ] [5 ] Otpts [5 ] Sorce Src Src Reg [-8] reslt Jmp address [-] Ot emory 6 etend [5 ] rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 6 Passo : decodifica e caricamento registri Obiettivo Leggere i registri Calcolare l indirizzo del salto condizionato, che viene salvato in Ot nche se non sappiamo ancora che istrzione è! Il calcolo pò servire dopo e se non serve non si sa! E n passo comne a ttte le istrzioni Le operazioni esegite = Reg[IR[5-]]; = Reg[IR[-6]]; Ot = + (sign-etend(ir[5-]) << ); rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 7

15 Passo : decodifica e caricamento registri () L implementazione di qesto passo richiede di settare i segenti segnali di lo Per la lettra dei registri È sfficiente fornire gli indirizzi Il banco dei registri deve venir letto ad ogni ciclo e qindi i valori di e vengono riscritti ad ogni ciclo di clock Per il calcolo del salto condizionato Src = Per inviare il alla come primo operando Src = Per inviare alla come secondo operando il campo offset, esteso in segno e scalato di bit a sinistra rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 8 Passo : decodifica e caricamento registri () Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg IR [5 ] emory emdata istrzione [-6] [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] emory [5 ] IR[5-] IR[-6] [5 ] 6 etend [-8] reslt Jmp address [-] Ot [5 ] rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 9

16 Passo : eseczione, calcolo indirizzo o salto E il primo passo in ci le operazioni compite nel ciclo di clock dipendono dall istrzione Descriviamo le operazioni per ognna delle classi di istrzione Nel caso di istrzione di accesso alla memoria Occorre calcolare l indirizzo della memoria L operazione esegita Ot = + (sign-etend(ir[5-]); I segnali di lo Src = Per inviare il registro alla come primo operando Src = Per inviare alla come secondo operando il campo offset, esteso in segno = Per fare effettare la somma alla rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Passo : istrzioni di accesso alla memoria Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg IR [5 ] emory emdata istrzione [-6] [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] emory [5 ] IR[5-] IR[-6] [5 ] IR[5-] 6 etend [5 ] offset rs [-8] reslt Jmp address [-] Ot ind. mem. rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini

17 Passo : eseczione, calcolo ind. o salto () Nel caso di istrzione logico-aritmetica (tipo R) Occorre esegire l operazione op richiesta L operazione esegita Ot = op ; I segnali di lo Src = Per inviare il registro alla come primo operando Src= Per inviare il registro alla come secondo operando = Per fare effettare alla l operazione indicata dai 6 bit nel campo fnct dell istrzione rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Passo : istrzioni logico-aritmetico (tipo R) Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg IR [5 ] emory emdata istrzione [-6] [5 ] [ 6] [5 ] [5 ] emory [5 ] IR[5-] IR[-6] [5 ] 6 etend rs rt [-8] reslt Jmp address [-] Ot risltato [5 ] fnct rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini

18 Passo : eseczione, calcolo ind. o salto () Nel caso di salto condizionato Occorre determinare l gaglianza tra registri L operazione esegita if ( == ) = Ot; I segnali di lo Src = Per inviare il registro alla come primo operando Src = Per inviare il registro alla come secondo operando = Per fare effettare alla la sottrazione in modo da lare l gaglianza tra registri Cond = Per aggiornare il se l scita della è Sorce = Il valore scritto nel viene da Ot N: se l scita della è, viene scritto de volte! rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Passo : istrzione di salto condizionato Cond em em emtoreg Otpts Sorce Src Src Reg emory emdata [5 ] [ 6] [5 ] istrzione [-6] [5 ] emory IR [5 ] [5 ] [5 ] IR[5-] IR[-6] 6 etend rs rt [-8] reslt Jmp address [-] Ot ind. salto [5 ] N: indirizzo salto in Ot è stato calcolato al passo rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 5

19 Passo : eseczione, calcolo ind. o salto () Nel caso di salto incondizionato Occorre assegnare a il valore dell indirizzo di salto L operazione esegita = [-8] (IR[5-]<<); I segnali di lo = Per aggiornare il Sorce = Il valore scritto nel viene dall nità di estensione in segno, concatenato con i bit più significativi di N: nel caso di salto incondizionato, viene scritto de volte: la prima come +, la seconda con il valore dell indirizzo di salto incondizionato rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 6 Passo : istrzione di salto incondizionato emory emdata [5 ] [ 6] [5 ] istrzione [-6] [5 ] emory Cond em em emtoreg IR [5 ] [5 ] Otpts [5 ] IR[5-] IR[-6] Sorce Src Src 6 Reg etend IR[5-] rs rt [-8] reslt Jmp address [-] Ot [5 ] rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 7

20 Passo : accesso alla memoria o completamento R Nel caso di accesso alla memoria, load e store accedono alla memoria In caso di load, la scrittra del registro DR avviene al passo sccessivo emoria[ot] = ; DR = emoria[ot]; // per store // per load Indirizzo di memoria calcolato al passo precedente DR viene comnqe scritto ad ogni ciclo (nessn segnale di contr.) I segnali di lo (store) Valore da scrivere in memoria nel registro em = = Per selezionare come indirizzo di memoria qello proveniente da I segnali di lo (load) em = = rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Per selezionare come indirizzo di memoria qello proveniente da 8 Passo : istrzioni di accesso alla memoria (store) Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg IR [5 ] emory emdata rt [-6] [5 ] [ 6] [5 ] istrzione [5 ] emory [5 ] IR[5-] IR[-6] [5 ] 6 etend rt [-8] reslt Jmp address [-] Ot ind. mem. [5 ] N: indirizzo memoria in Ot è stato calcolato al passo rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 9

21 Passo : istrzioni di accesso alla memoria (load) Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg emory emdata [5 ] [ 6] [5 ] istrzione [-6] [5 ] IR [5 ] [5 ] [5 ] IR[5-] IR[-6] [-8] reslt Jmp address [-] Ot ind. mem. emory dato 6 etend [5 ] N: indirizzo memoria in Ot è stato calcolato al passo rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Passo : accesso alla memoria o completamento R () Nel caso di completamento di istrzioni di tipo R Si deve scrivere il valore calcolato nel registro di destinazione Reg[IR[5-]] = Ot Il contento di Ot (calcolato al passo precedente) deve essere scritto nel registro di destinazione (rt) I segnali di lo = Per sare i bit 5- come registro di destinazione Reg= Per scrivere il registro di destinazione nel banco dei registri emtoreg = Per selezionare come dato da scrivere qello proveniente dalla, anziché qello letto dalla memoria rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini

22 Passo : completamento R Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg emory emdata [5 ] [ 6] [5 ] istrzione [-6] [5 ] IR [5 ] [5 ] [5 ] IR[5-] IR[-6] IR[5-] rs rt [-8] reslt Jmp address [-] Ot risltato emory 6 etend [5 ] N: indirizzo memoria in Ot è stato calcolato al passo rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Passo 5: completamento lettra da memoria Si completa la lettra dalla memoria (istrzione load) Si deve scrivere il valore in DR letto dalla memoria al passo precedente nel registro di destinazione (rt) Reg[IR[-6]] = DR I segnali di lo = Per sare i bit -6 come registro di destinazione Reg= Per scrivere il registro di destinazione nel banco dei registri emtoreg = Per selezionare come dato da scrivere qello letto dalla memoria, anziché qello proveniente dalla rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini

23 Passo 5: compl. lettra da memoria () Cond Sorce em em emtoreg Otpts Src Src Reg emory emdata [5 ] [ 6] [5 ] istrzione [-6] [5 ] IR [5 ] [5 ] [5 ] IR[5-] IR[-6] [-8] reslt Jmp address [-] Ot emory dato 6 etend [5 ] N: dato memoria in DR è stato caricato al passo rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini Schema riassntivo dei passi Nome del passo Prelievo Decodifica Eseczione, calcolo indirizzo, salto ccesso mem., compl. R Compl. lettra da memoria Istrzioni di tipo R Ot = op ; Reg[IR[5-]] = Ot ccesso memoria IR = emoria[]; = + ; = Reg[IR[5-]]; = Reg[IR[-6]]; Ot = + (sign-etend(ir[5-]) << ); Ot = + sign-etend(ir[5- ]); Store: emoria[ot] = ; Load: DR = emoria [Ot]; Load: Reg[IR[- 6]] = DR Salti condizionati if ( == ) = Ot; Salti incondizionati = [-8] (IR[5-]<<); rchitettre dei Calcolatori /5 Valeria Cardellini 5