Microelettronica Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded

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1 Microelettronica Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded Elementi per il progetto di un microprocessore 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 aprile 2016 (1 di 63)

2 Sommario Evoluzione della tecnologia L'esecuzione di una istruzione Programmazione strutturata Architettura e organizzazione di un microprocessore Progetto di un processore minimo livello datapath sintesi FSM Note sul progetto di un set di istruzioni formato tipi modi di indirizzamento S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (2 di 63)

3 Intel 4004 S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (3 di 63)

4 La tecnologia di oggi S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (4 di 63)

5 Livelli di interconnessione S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (5 di 63)

6 Un processore di oggi > 10 9 transistor S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (6 di 63)

7 Legge di Moore Microprocessor Transistor Counts & Moore's Law 2,600,000,000 1,000,000,000 Six-Core Core i7 Six-Core Xeon 7400 Dual-Core Itanium 2 AMD K10 Itanium 2 with 9MB cache POWER6 Itanium 2 AMD K10 16-Core SPARC T3 Core 2 Duo Cell 10-Core Xeon Westmere-EX 8-core POWER7 Quad-core z196 Quad-Core Itanium Tukwila 8-Core Xeon Nehalem-EX Six-Core Opteron 2400 Core i7 (Quad) 100,000,000 AMD K8 Pentium 4 Barton Atom Transistor count 10,000,000 1,000, , curve shows transistor count doubling every two years AMD K5 Pentium AMD K7 AMD K6-III AMD K6 Pentium III Pentium II Il numero di transistor integrati in un chip raddoppia ogni anno , Z , RCA 1802 MOS Date of introduction S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (7 di 63)

8 Legge di Moore Microprocessor Transistor Counts & Moore's Law 16-Core SPARC T3 2,600,000,000 1,000,000,000 Six-Core Core i7 Six-Core Xeon 7400 Dual-Core Itanium 2 AMD K10 Itanium 2 with 9MB cache POWER6 Itanium 2 AMD K10 Core 2 Duo Cell 10-Core Xeon Westmere-EX 8-core POWER7 Quad-core z196 Quad-Core Itanium Tukwila 8-Core Xeon Nehalem-EX Six-Core Opteron 2400 Core i7 (Quad) Transistor count 100,000,000 10,000,000 1,000, , curve shows transistor count doubling every two years Pentium 4 AMD K5 Pentium AMD K7 AMD K6-III AMD K6 Pentium III Pentium II AMD K8 Barton 10 9 Atom AMD K10 Itanium 2 with 9MB cache POWER6 Itanium 2 Six-Core Core i7 Six-Core Xeon 7400 Dual-Core Itanium 2 AMD K10 16-Core SPARC T3 Core 2 Duo Cell 10-Core Xeon Westmere-EX 8-core POWER7 Quad-core z196 Quad-Core Itanium Tukwila 8-Core Xeon Nehalem-EX Six-Core Opteron 2400 Core i7 (Quad) 10,000 2, Z MOS RCA 1802 Pentium AMD K8 Barton Atom Date of introduction S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (8 di 63)

9 Il processore come macchina programmabile Un processore è un sistema elettronico di tipo programmabile, nel senso che è in grado di eseguire un programma FF..FF 16 instructions registers address data processor instructions and data memory S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (9 di 63)

10 Descrizione di un algoritmo input/output istruzione blocco di istruzioni condizione inizio/fine connessione S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (10 di 63)

11 Programmazione strutturata T cond F cond T F condizione sequenza ciclo while S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (11 di 63)

12 Esempio Addizione tra due numeri somma In A In B C A + B Out C end S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (12 di 63)

13 Esempio Massimo tra due numeri max In A, B T A > B F max A max B Out max end S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (13 di 63)

14 max Esempio Ricerca massimo (-255 per uscire) max 0 A 0 A!= -255 T In A F T max A A > max F Out max S. Salvatori - Microelettronica end aprile 2016 (14 di 63)

15 Esercizi 1. Disegnare la struttura del ciclo for; 2. Disegnare la struttura del diagramma di flusso che descrive il lavoro svolto da un microcontrollore; 3. Disegnare il diagramma di flusso del lavoro svolto da un sistema a uc che risponda alle seguenti specifiche: Acquisisca lo stato di un ingresso; Ogni volta che l'ingresso passa dallo stato logico basso a quello alto si genera un evento; Una uscita deve diventare alta ogni 4 eventi. S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (15 di 63)

16 Ciclo for i iniz cond. i F T modif. i S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (16 di 63)

17 Ciclo for: esempio for(i = ; i>0; i ) {... } I i > 0 T F i = ; while(i>0) {... i ; } Ciclo while equivalente i i - 1 S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (17 di 63)

18 Ciclo per un uc start iniziallizz. true F T funzione end S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (18 di 63)

19 4 eventi evento IN = 0 T F Aspetta che l'input esca dallo stato basso return Qui c'è stato il fronte positivo Att.ne che succede se rientro troppo presto? S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (19 di 63)

20 4 eventi evento IN = 0 F T return Inizio test fine test Inizio nuovo test IN: S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (20 di 63)

21 4 eventi evento IN = 0 T F Aspetta che l'input esca dallo stato basso Qui c'è stato il fronte positivo IN = 1 T F Aspetta che l'input torni nello stato basso return S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (21 di 63)

22 start 4 eventi true T out 0 e 0 end e < 4 F T evento e e + 1 out 1 S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (22 di 63)

23 Architettura e organizzazione di un microprocessore S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (23 di 63)

24 Architettura e organizzazione di un up Un computer general purpose consiste in un sistema denominato: computer digitale con programma memorizzato La tecnologia microelettronica ha consentito di integrare milioni di MOS su un solo chip dando luogo alla nascita di sistemi ultraveloci e di complessità sempre più alta Il progresso nel campo dei up non si è avuto solo grazie al progresso tecnologico Allo sviluppo hanno certamente contribuito le capacità degli ingegneri in grado di definire sia l'architettura che l'organizzazione di un microcomputer S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (24 di 63)

25 Architettura e organizzazione di un up Architettura: descrive il computer dal punto di vista dell'utente Set delle istruzioni Registri disponibili Gestione della memoria Gestione delle eccezioni Organizzazione: descrive come è implementata l'architettura Struttura della pipeline Chache Soluzioni hardware... S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (25 di 63)

26 Programma memorizzato Un processore è un automa che esegue istruzioni scritte nella memoria programma registers processor address instructions and data instructions data memory dati e programma sono immagazzinati nella stessa memoria le istruzioni sono trattate come i dati (questo può anche portare a un codice che si auto-modifica) FF..FF Lo stato del sistema è determinato dai valori memorizzati in locazioni di memoria e in registri interni al up ogni istruzione definisce le modalità di cambiamento dei dati e quindi dello stato essendo programmabili, i up risultano dispositivi universali, potendo eseguire qualunque algoritmo S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (26 di 63)

27 Astrazione nella progettazione I up sono dispositivi che integrano milioni di MOS che operano a velocità elevatissima. I dispositivi commutano milioni di volte al secondo. Il sistema deve operare in modo ripetibile e controllato per non cadere in uno stato imprevisto (collasso). Come può essere progettato un sistema tanto complesso? livelli di astrazione che abbiamo visto S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (27 di 63)

28 Elementi fondamentali di una CPU incrementer PC... DECODER AI BUS ESTERNI MAR MDR IR SR FUNZ REG ALU R0 R1 BANCO DI REGISTRI Rn REG S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (28 di 63)

29 Il processore minimo Il tipo più semplice di processore prevederà: un PC, Program Counter, per puntare all istruzione da eseguire un IR, Instruction Register, che mantiene il codice dell istruzione da eseguire un registro, Accumulatore, in grado di immagazzinare il dato su cui lavorare in un certo istante una ALU, Arithmetic Logic Unit, in grado di eseguire operazioni elementari una unità di decodifica e controllo che imposterà le azioni in funzione dell istruzione MU0..6 S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (29 di 63)

30 Esempio di processore minimo MU0 Per il più semplice processore prevediamo per l'istruzione un formato a 16 bit; Nei 16 bit sono inclusi l'opcode a 4 bit e un campo d'indirizzo a 12 bit: 4 bits opcode 12 bits S istruzioni a 16 bit I dati sono a 16 bit (ALU) 12 bit d indirizzo -> 4096x16 = 8 kbyte di spazio di memoria S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (30 di 63)

31 MU0 Il set di istruzioni è anch'esso minimo: Istruzione Opcode Effetto LDA S 0000 ACC := mem 16 [S] STO S 0001 mem 16 [S] := ACC ADD S 0010 ACC := ACC + mem 16 [S] SUB S 0011 ACC := ACC - mem 16 [S] JMP S 0100 PC := S JGE S 0101 if ACC >= 0 PC := S JNE S 0110 if ACC!=0 PC := S STP 0111 stop S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (31 di 63)

32 MU0 Il progetto della logica è divisibile in due passi fondamentali: datapath tutti gli elementi che lavorano su parole (acc., PC, ALU, IR) fanno parte del datapath per questi elementi si usa uno stile di progetto di tipo Register Transfer level (RTL), basato su registri, MUX, logica di controllo tutto ciò che non è incluso nel datapath, farà parte della logica di decodifica/controllo il progetto si basa su FSM (Finite State Machine) S. Salvatori - Microelettronica aprile 2016 (32 di 63)