Realizzazione a cicli di clock multipli

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1 Realizzazione a cicli di clock multipli Riprendiamo in esame la realizzazione dell'unità di calcolo per individuare, per ciascuna classe di istruzioni, le componenti utilizzate e suddividere le azioni necessarie in passi che richiedono di volta in volta diverse parti dell unità di calcolo. Istruzione di tipo R: es. add $x, $y, $z 1. viene prelevata un istruzione dalla memoria istruzioni e il PC viene incrementato; {memoria istruzioni e PC} 2. vengono letti due registri ($y e $z) all interno del banco dei registri; {banco registri} 3. l ALU opera sui dati letti; {ALU} 4. il risultato del ALU viene scritto nel banco dei registri. {banco registri}. Supponiamo di voler realizzare questi 4 passi in 4 distinti cicli di clock: Quali accorgimenti devono essere presi? Alla fine di ogni ciclo i dati devono essere ricordati ovvero memorizzati in un elemento di memoria.

2 Registro istruzione. Memoria istruzioni Registro istruzione Banco registri L'istruzione prelevata dalla memoria istruzioni deve venir memorizzata per poter essere successivamente (ciclo successivo) individuati i dati da inviare al banco dei registri. Registri dati letti Banco registri Dato lettura 1 Dato lettura 2 A B I dati letti nei registri vengono memorizzati per il successivo invio all'alu.

3 Registro ALUoutput ALU ALUoutput Il risultato dell'alu viene ricordato nel registro ALUoutput. PC IR A B ALUoutput

4 Istruzione load: lw $x, offset($y) 1. viene prelevata un istruzione dalla memoria istruzioni e il PC viene incrementato; {memoria istruzioni e PC} 2. viene letto un registro ($y) all interno del banco dei registri; {banco registri} 3. l ALU calcola la somma del valore letto dal banco dei registri e dell offset (16 bit) esteso in segno; {ALU} 4. viene prelevato il dato dalla memoria all indirizzo calcolato; {memoria dati} 5. il dato proveniente dalla memoria viene scritto nel banco dei registri ($x) {banco registri}. Memoria Registro dato memoria Il dato letto viene memorizzato nel registro MDR (memory data register).

5 Operazione di salto condizionato: beq $x, $y, offset 1. viene prelevata un istruzione dalla memoria istruzioni e il PC viene incrementato; {memoria istruzioni e PC} 2. vengono letti due registri ($y e $z) all interno del banco dei registri; {banco registri} 3. l ALU effettua una sottrazione dei valori letti dal banco dei registri; viene calcolato il possibile nuovo valore del PC; {ALU} 4. il risultato Zero dell ALU viene utilizzato per decidere quale valore debba essere memorizzato nel PC {PC} Tutti i dati necessari in successivi cicli di clock vengono salvati in elementi di memoria - se NON vengono utilizzati dalla stessa istruzione allora gli elementi di stato dove memorizzare i dati sono già stati previsti anche nella realizzazione a ciclo singolo. - se NON vengono utilizzati nel ciclo di clock successivo allora deve essere progettato un segnale di write per conservare i dati fino al momento opportuno. Sarà necessario progettare nuovi segnali di controllo.

6 Si noti che assegnando ai vari passi diversi cicli di clock, alcune unità potrebbero essere man mano rese disponibili per altre operazioni. - L ALU può essere utilizzata sia per il calcolo del nuovo PC che per un operazione di tipo R. Chiaramente ciò è possibile solo se i due utilizzi avvengono in tempi (cicli di clock) diversi. - Può essere utilizzata un unica unità di memoria sia per i dati che per le istruzioni. Sarà necessario inserire nuovi multiplexor. IorD IRwrite PC Memoria dati e istruzioni IR MDR ALUoutput

7 Più in dettaglio. 1. viene prelevata un istruzione dalla memoria istruzioni e il PC viene incrementato di 4. - Viene prelevata un istruzione dalla memoria. Per realizzare ciò si deve: - inviare il valore del PC alla memoria come indirizzo dell istruzione da leggere. - asserire segnale di controllo MemRead (perché deve venir letta l istruzione). - asserire il segnale di controllo IRwrite (perché deve venir memorizzata l istruzione per il nuovo ciclo). - memorizzare l istruzione nel registro IR. - Il valore del PC viene incrementato di 4. Per realizzare ciò si deve: - porre ALUSrcA = 0 (il primo operando dell ALU è il valore del PC); - porre ALUSrcB = 01 (per indicare che il secondo operando dell Alu è il valore 4); - porre ALUop = 00 (per far eseguire all ALU l operazione di somma; - porre IorD = 0 (se non verrà modificato il prossimo indirizzoinviato alla memoria sarà quello del PC); - abilitare la scrittura del nuovo valore del PC asserendo Pcwrite e ponendo PCSource=00 N.B. le due operazioni possono essere eseguite in parallelo durante lo stesso ciclo di clock.

8 2. Lettura registri e calcolo target: vengono letti due registri all interno del banco dei registri e calcolato il valore del PC nel caso l'istruzione sia un salto condizionato. - i due campi e dell istruzione (memorizzata in IR) vengono interpretati come due numeri di registro e i contenuti di questi due registri vengono memorizzati in A e B (come possibili operatori per l ALU); - il campo 15-0 dell istruzione (memorizzata in IR) viene interpretato come offset, pertanto: - viene posto ALUop=00 (per indicare che deve venir eseguita una somma); - viene posto ALUSrcB=11 (per indicare che l offset, moltiplicato ed esteso, deve essere il secondo operando dell ALU; - viene posto ALUSrcA=0 (per indicare che il PC deve essere il primo operando) Nota. Questa fase avviene prima dell'individuazione dell'istruzione da eseguire; possono quindi venir letti o calcolati valori non utili nel seguito. Ad esempio, la seconda serie di operazioni risulterà inutile se l istruzione NON è un salto, ma poiche può essere svolta in parallelo (stesso ciclo) con l operazione di lettura dal banco dei registri, anticipare questo lavoro certamente non costa in termini di cicli di clock ed è vantaggioso per le operazioni di salto.

9 3. Esecuzione, calcolo dell'indirizzo di memoria o conclusione del salto condizionato. All'inizio della terza fase è già stata decodificata l'istruzione, supponiamo quindi che il controllo abbia abilitato i segnali di controllo relativi all'istruzione considerata. - R-istruzioni: i valori dei registri A e B vengono inviati all'alu e il risultato dell'operazione viene memorizzato in ALUoutput (ALUSrcA = 1, ALUSrcB= 00, ALUop = 10). - - Istruzioni di memoria: il valore del registro A viene sommato dall'alu al risultato dell'estensione del segno e memorizzato in ALUoutput (ALUSrcA= 1, ALUSrcB = 10, ALUop = 00). - Salto condizionato: viene utilizzata l'uscita Zero dell'alu ed aggiornato il PC (ALUSrcA= 1, ALUSrcB = 00, ALUop = 01, PCsource = 01, PCWriteCond =1). - Salto incondizionato: il valore del PC viene riscritto con il valore corretto (PCWrite =1, PCSource =10).

10 4. Accesso alla memoria, completamento R-istruzioni e store. - R-istruzioni: il valore memorizzato in ALUoutput viene scritto nel banco dei registri (RegDst =1, MemtoReg = 0, RegWrite: asserito). - Store: il valore memorizzato in ALUoutput viene utilizzato come indirizzo per memorizzare il valore di B (IorD=1, MemRead: asserito). - Load: il valore memorizzato in ALUoutput viene utilizzato come indirizzo per leggere dalla memoria. Il dato letto viene registrato in MDR (IorD=1, MemWrite: asserito). 5. Completamento load. Il valore del registro MDR viene scritto nel banco dei registri (MemtoReg = 1, RegDst = 0, RegWrite: asserito)