L unità di controllo. Il processore: unità di controllo. Le macchine a stati finiti. Struttura della macchina a stati finiti

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1 Il processore: unità di lo Architetture dei Calcolatori (lettere A-I) L unità di lo L unità di lo è responsabile della generazione dei segnali di lo che vengono inviati all unità di elaborazione Alcune difficoltà per la sua realizzazione nell implementazione multi-ciclo del processore Gestione dei diversi passi di esecuzione di un istruzione Il lo deve specificare sia i segnali in ciascun passo sia il prossimo passo della sequenza di esecuzione Esistono due tecniche per la progettazione dell unità di lo Macchina a stati finiti Microprogrammazione Entrambe le tecniche di rappresentazione dell unità di lo permettono la sintesi automatica dell implementazione tramite un sistema CAD Sotto forma di ROM o di PLA Valeria Cardellini 1 Le macchine a stati finiti Le macchine a stati finiti forniscono una rappresentazione simbolica del comportamento dell unità di lo Sono costituite da: Un insieme di stati Un insieme di transizioni di stato Occorre definire una funzione di prossimo stato che mette in relazione lo stato corrente con lo stato successivo Nella rappresentazione dell unità di lo Ogni stato rappresenta i valori dei segnali di lo che sono pari ad 1 I valori non esplicitati sono uguali a 0 Per il lo dei multiplexer è invece necessario specificare ad ogni passo il valore Struttura della macchina a stati finiti I primi due passi sono indipendenti dall istruzione I restanti passi sono differenziati a seconda dell operazione Ciascuna porzione della macchina a stati finiti può essere composta da più stati Valeria Cardellini 2 Valeria Cardellini 3

2 La macchina a stati finiti completa Implementazione dell unità di lo dalla macchina a stati finiti La macchina a stati finiti può essere implementata usando Un registro temporaneo che memorizza lo stato corrente Un blocco di logica combinatoria che determina i segnali e lo stato futuro Macchina di Moore NextState = f(input, State) Output = g(state) Vantaggi: Maggiore velocità e minore dimensione Valeria Cardellini 4 Valeria Cardellini 5 Eccezioni La gestione delle eccezioni e degli interrupt è una delle parti più difficili del lo Eccezione: un evento non atteso, interno al processore, che interrompe l esecuzione del programma Esempi: overflow aritmetico, istruzione non definita Interrupt: un evento non atteso, esterno al processore, che interrompe l esecuzione del programma Esempi: richiesta di un dispositivo di I/O, malfunzionamento hardware Nella terminologia MIPS: interrupt eccezione Nella terminologia IA-32: non c è distinzione tra interrupt ed eccezione Valeria Cardellini 6 Gestione delle eccezioni Quando avviene un eccezione occorre Salvare nel registro EPC (Exception Program Counter) l indirizzo dell istruzione che ha causato l eccezione Trasferire il lo al sistema operativo a qualche indirizzo specifico per la gestione dell eccezione Il sistema operativo, dopo aver eseguito le azioni necessarie, può terminare il programma o continuarne l esecuzione usando EPC per determinare da dove riprendere l esecuzione Oltre a EPC, il sistema operativo deve conoscere la ragione dell eccezione; esistono due meccanismi Registro di stato (Cause register nel MIPS): contiene un campo che indica la causa dell eccezione Interrupt vettorializzato: l indirizzo a cui trasferire il lo è determinato dalla causa dell eccezione Consideriamo due tipi di eccezioni nell implementazione a ciclo multiplo Esecuzione di un istruzione non definita Overflow aritmetico Valeria Cardellini 7

3 Gestione delle eccezioni (2) Per gestire le eccezioni nel MIPS occorre aggiungere nell unità di elaborazione Registro EPC a 32 bit Registro Cause a 32 bit Istruzione non definita: Cause = 0 Overflow aritmetico: Cause = 1 Aggiungiamo due segnali di lo per abilitare la scrittura dei registri EPC e Cause: E e Cause Aggiungiamo un altro segnale di lo per settare il bit meno significativo del registro Cause: IntCause Occorre scrivere in PC l indirizzo di eccezione (punto di ingresso del sistema operativo per gestire le eccezioni) Nel MIPS, l indirizzo di eccezione è ( ) 16 Modifichiamo il multiplexer in ingresso a PC da tre a quattro vie PCSource = 11 per abilitare l indirizzo di eccezione L unità a ciclo multiplo con la gestione delle eccezioni Indirizzo di eccezione EPC: usiamo per sottrarre 4 a PC Valeria Cardellini 8 Valeria Cardellini 9 La macchina a stati finiti con la gestione delle eccezioni Necessità della microprogrammazione Dalla progettazione dell unità di lo per il set ridotto di istruzioni del MIPS abbiamo visto che La macchina a stati finiti (con gestione eccezioni) ha 12 stati Quindi, risulta facilmente gestibile Per unità di lo di implementazioni complete Da 1 a 20 cicli di clock Centinaia di stati con un numero elevato di archi La rappresentazione grafica diventa complessa Aumenta la probabilità di commettere errori nella progettazione E necessario uno strumento progettuale più efficace per progettare unità di lo complesse: la microprogrammazione Valeria Cardellini 10 Valeria Cardellini 11

4 La microprogrammazione L idea alla base della microprogrammazione: trattare l insieme dei segnali di lo come un istruzione da eseguire Un istruzione di lo (di basso livello) detta microistruzione Per differenziarla dalle istruzioni ISA di livello più alto Ogni microistruzione Definisce quali segnali vanno messi ad 1 in un certo stato Definisce anche quale è la successiva microistruzione da eseguire Il microprogramma Insieme di microistruzioni Fornisce la rappresentazione simbolica dell unità di lo Il microprogramma Fornisce una rappresentazione simbolica dell unità di lo Che verrà tradotta nell implementazione con porte logiche da strumenti automatici, analogamente alle macchine a stati finiti Formato delle microistruzioni Valgono gli stessi principi progettuali adottati nella progettazione dell unità di elaborazione Semplificare la rappresentazione, renderla facile da scrivere e da capire, evitare che vengano scritte microistruzioni inconsistenti Formato Campi che specificano il valore dei segnali di lo Valeria Cardellini 12 Valeria Cardellini 13 Il formato delle microistruzioni Ogni microistruzione contiene 7 campi Campo SRC1 SRC2 Funzione Operazione compiuta da ; risultato in Out Provenienza primo operando Provenienza secondo operando Lettura o scrittura dei registri nel banco e provenienza dei valori in caso di scrittura Lettura o scrittura della memoria e provenienza dei dati; in caso di lettura specifica il registro di destinazione Modalità di aggiornamento di PC Modalità di scelta dell istruzione successiva Valeria Cardellini 14 Scelta della microistruzione successiva Le microistruzioni sono memorizzate in una ROM o PLA Possiamo assegnare degli indirizzi alle microistruzioni Diverse possibilità per scegliere la microistruzione successiva Passare alla microistruzione seguente Il campo viene messo al valore Seq Passare alla microistruzione che inizia l esecuzione della prossima istruzione MIPS La prima microistruzione ha un etichetta Il campo viene messo al valore Passare alla microistruzione a seconda di valori indicati in input all unità di lo Si usa una tabella di Dispatch (solitamente una ROM) Il campo viene messo al valore Dispatch i i è un valore che viene passato alla tabella di Dispatch che restituisce la prossima istruzione Valeria Cardellini 15

5 I valori dei campi Label stringa Indica l etichetta (label) dell istruzione SRC1 Add Subt Func code PC A deve sommare deve sottrarre deve usare funct per l operazione PC è il primo operando della Registro A è il primo operando della SRC2 B Registro B è il secondo operando della 4 Il valore 4 è il secondo operando della Extend Extshift Uscita esten. segno è il sec. operando della Uscita shift è il secondo operando della Valeria Cardellini 16 Read MDR Read PC Read Seq out-cond Jump address I valori dei campi (2) Legge i due registri usando IR, output in A e B Scrive usando rd come registro e Out come dato Scrive usando rt come registro e MDR come dato Legge la memoria usando PC, risultato in IR e MDR Legge la memoria usando Out, risultato in MDR Scrive la memoria usando Out e B Scrive uscita della in PC Se Zero vale 1, scrive in PC il valore di Out Scrive in PC l indirizzo di salto preso dall istruzione Vai alla microistruzione successiva Vai alla prima microistruzione Dispatch i Usa la tabella di Dispatch per indicare la prossima istr. Valeria Cardellini 17 Le label e la tabella di Dispatch Le label nel campo sequencing sono di due tipi Riferimento esplicito ad una etichetta definita per una microistruzione Uso della tabella di Dispatch con il valore Dispatch i Le etichette che terminano con 1 oppure 2 sono usate dalla tabella di Dispatch Che restituisce l indirizzo della microistruzione a seconda del valore dei 6 bit del campo Op che vengono passati all unità di lo Nome del passo Prelievo Decodifica Esecuzione, calcolo indirizzo, salto Accesso mem., compl. R Compl. lettura da memoria Schema riassuntivo dei passi Istruzioni di tipo R Out = A op B; Reg[IR[15-11]] = Out Accesso memoria IR = Memoria[PC]; PC = PC + 4; A = Reg[IR[25-21]]; B = Reg[IR[20-16]]; Out = PC + (sign-extend(ir[15-0]) << 2); Out = A + (signextend(ir[15-0]); Store: Memoria[Out] = B; Load: MDR = Memoria [Out]; Load: Reg[IR[20-16]] = MDR Salti condizionati if (A == B) PC = Out; Salti incondizionati PC = PC[31-28] (IR[25-0]<<2); Valeria Cardellini 18 Valeria Cardellini 19

6 I primi due passi (prelievo e decodifica) Incremento del Program Counter e scrittura dell incremento Lettura istruzione indicata da PC (in IR) Salto alla microistruzione indicata dalla tabella di Dispatch Label SRC1 SRC2 Add PC 4 Read PC Seq Le etichette del Dispatch Servono a differenziare i 4 tipi di istruzioni Una specie di switch Esistono 4 etichette Mem1 Rformat1 BEQ1 JUMP1 Notare il carattere finale 1 delle etichette Add PC Extshift Read Dispatch 1 Valeria Cardellini 20 Valeria Cardellini 21 Istruzioni di accesso alla memoria Calcolo indirizzo Due passi per l istruzione lw (uso di Dispatch 2) Un passo per l istruzione sw Label SRC1 SRC2 Mem1 Add A Extend LW2 SW2 MDR Read Dispatch 2 Seq Istruzioni di tipo R Operazione indicata dal campo funct Scrittura nel registro del risultato dell operazione Torna alla microistruzione con label Label SRC1 SRC2 Rformat1 Func A B Seq Valeria Cardellini 22 Valeria Cardellini 23

7 Istruzione di branch Effettua la sottrazione tra A e B Il risultato non interessa, serve soltanto la linea Zero Scrittura del PC calcolato nel passo precedente solamente se la linea Zero della è pari ad 1 Torna alla microistruzione con label Label BEQ1 SRC1 SRC2 Subt A B Outcond Istruzione di jump Scrittura del PC con il nuovo indirizzo Torna alla microistruzione con label Label JUMP1 SRC1 SRC2 Jump address Valeria Cardellini 24 Valeria Cardellini 25 Label L intero microprogramma SRC1 SRC2 Add PC 4 Read PC Seq Add PC Extshift Read Dispatch 1 Mem1 Add A Extend Dispatch 2 LW2 Read Seq MDR SW2 Rformat1 Func A B Seq BEQ1 Subt A B Out -cond JUMP1 Jump address Valeria Cardellini 26 Implementazione del microprogramma Il microprogramma può essere visto come una rappresentazione di una macchina a stati finiti Quindi può essere usato per lo stesso tipo di generazione automatica della ROM (o PLA) per l implementazione Un implementazione alternativa Si implementano separatamente la funzione di lo (generazione dei segnali) e la selezione della prossima istruzione Uso di un contatore che viene incrementato e di una parte di logica che compie la selezione dell indirizzo Valeria Cardellini 27

8 L implementazione alternativa Valeria Cardellini 28