Architettura degli elaboratori - CPU multiciclo A.A. 2016/17. Architettura degli elaboratori

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1 Università degli Studi dell Insubria Dipartimento di Scienze Teoriche e Applicate Architettura degli elaboratori Marco Tarini Dipartimento di Scienze Teoriche e Applicate marco.tarini@uninsubria.it Progetto del controllore: microprogrammazione Come nell esempio che abbiamo visto, la tabella delle transizioni dell UC di un processore è generalmente molto ben strutturata Idea: memorizziamo questa tabella in una piccola memoria ROM Invece di calcolare l output a partire dall input con un circuito, usiamo l input come indice a cui accedere alla tabella, a cui troviamo gli output corrispondenti In pratica scrivere questa tabella significa scrivere un piccolo programma (un «microprogramma») per ciascun istruzione dell istruction set microprogrammazione un'alternativa alla logica di controllo implementata con circuito combinatorio, che in contrasto è detta «cablata» o «hard-wired» Architettura degli elaboratori

2 Microprogrammazione: terminologia Micro-programma per l istruzione X: La sequenza di passi che eseguita nel suo complesso esegue l istruzione X del Program Set Micro-istruzione: Ogni passo della sequenza. Quindi, una riga della tabella memorizzata in RAM. Micro Program Counter (µpc): l indice del passo corrente. Nel nostro esempio, è aggiornato col campo «prossimo passo» della tabella. Micro-salto: un jump del microprogramma. Cioè una micro-istruzione a µpc = N che prevede, come istruzione successiva, una micro-istruzione con passo diverso da N+1. Micro-branch: un micro-salto condizionato (es: a seconda del valore dei bit di esito, salto oppure no) Architettura degli elaboratori Tabelela telle transizioni (1/2) Passo Opcode Esiti Controlli generati Next 0 X X PCout, MARin, read, etc 1 1 X X Zout, PCin, Vin, WMFC 2 2 X X MDRout, IRin ADDU X Rs_out, Vin 4 4 ADDU X Rt_out, select V, add, Zin 5 5 ADDU X Zout, Rd_in 0 ORI X ZeroExtImmout, Vin 4 4 ORI X Rs_out, select V, or, Zin 5 5 ORI X Zout, Rt_in 0 BEQ X Rs_out, Vin 4 4 BEQ /zero Rt_out, select V, sub 0 4 BEQ zero Rt_out, select V, sub 5 5 BEQ X SignExtImmoutSHL2, Vin 6 6 BEQ X PCout, select V, add, Zin 7 7 BEQ X Zout, PCin 0 Architettura degli elaboratori Una microistruzione Il microprogramma di ADDU Un microsalto condizionato 2

3 Unità di controllo cablata dalla memoria MFC S Q go R bit clock L Step No 6 esiti dalla ALU Op code IR Circuito combinatorio WMFC read alla memoria write Architettura degli elaboratori op al datapath alla ALU next step dalla memoria MFC S Q go R bit clock L Step No 6 esiti dalla ALU Op code addr 12 IR ROM 4096x16bit data 16 WMFC read alla memoria write Architettura degli elaboratori op al datapath alla ALU next step

4 Microprogrammazione: storage Quanto è grande l intera tabella del microprogramma? Nel nostro esempio Input: bit di indice di passo (ci bastano) 6 bit di Op-Code (vedi MIPS) bit di esiti (mettiamo) Totale bit di input = 12 (si potrebbero ridurre) 2^12 = 4096 righe possibili nella tabella. In ogni riga: bit di next state 1 bit di controllo (mettiamo) Totale: 16 bit per microistruzione Totale tabella: molto poco: 4096x16 bit = 8 Kbytes Tipicamente memorizzata in una piccola ROM riscrivibile Architettura degli elaboratori Microprogrammazione e codice legacy Dato un datapath con certe capacità, le istruzioni che la CPU sarà in grado di eseguire dipendono dal microcodice La microprogrammazione può essere usata per: Interpretare lo stesso insieme di istruzioni su microarchitetture diverse Interpretare diversi insiemi di istruzioni sulla stessa microarchitettura Emulazione : interpretazione in microcodice di un set di istruzioni diverso da quello nativo della macchina Grande successo nel passato Architettura degli elaboratori

5 Microprogrammazione: pro e contro Facilità di progettazione Flessibilità Facilità di cambiamento Si possono rimandare decisioni implementative (basta cambiare il microprogramma) Si può scegliere di implementare set di istruzioni molto potenti (basta impiegare più memoria di controllo) Generalità Si possono implementare più set di istruzioni sulla stessa macchina. Si può anche adattare il set di istruzioni all applicazione. Compatibilità Stesso set di istruzioni su microarchitetture diverse Costosa Lenta Architettura degli elaboratori Controllo microprogrammato Da un punto di vista funzionale, realizzare un controllore cablato o microprogrammato è equivalente. Il controllore cablato è più efficiente (circuito combinatorio = più veloce di un accesso in memoria, e ciò vale persino per una piccola memoria solo lettura come questa) La microprogrammazione è preferibile quando la flessibilità è essenziale Situazione attuale: Oggi la microprogrammazione non è molto più usata nei microprocessori Sono a volte microprogrammati invece i microcontrollori di embedded devices o di alcune periferiche (ricordiamo la differenza: Microprocessore: la CPU, stampata su un circuito integrato Microcontrollore: l unità di controllo di un embedded device, stampata su un circuito integrato) Architettura degli elaboratori - 8-5

6 Controllo microprogrammato Microprogrammazione : un tipo intermedio di «-ware»? SOFTWARE: Programma (sequenza di istruzioni dell instruction set) FIRMWARE: Il mircoprogramma, memorizzato in ROM HARDWARE: L architettura (cablata) che lo esegue Architettura degli elaboratori