Microelettronica. Introduzione al progetto di un microprocessore. Stefano Salvatori. Università degli Studi Roma Tre.

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1 Microelettronica Introduzione al progetto di un microprocessore Stefano Salvatori Microelettronica 2012

2 Sommario up minimo: Formato delle istruzioni Tipi di istruzione Percentuale di utilizzo delle istruzioni Modi di indirizzamento Pipeline CISC - RISC Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 2

3 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 Architettura che descrive il computer dal punto di vista dell'utente: Set delle istruzioni Registri disponibili Gestione della memoria Gestione delle eccezioni Organizzazione che descrive come è implementata l'architettura: Struttura della pipeline Chache Soluzioni hardware... Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 3

4 Computer con programma memorizzato Un processore è un automa che esegue istruzioni scritte nella memoria programma registers processor address instructions and data instructions data 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 16 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 Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 4

5 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? Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 5

6 Livello: porte logiche Circuito CMOS per una porta logica CMOS NAND a 2 ingressi: Vdd A A.B B Vss Y = (A B)' Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 6

7 Livello: porte logiche Astrazione che consente di eliminare la dipendenza dal layout a livello di MOS singolo Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 7

8 Computer logic OR AND NOT Uso dell'algebra di Boole Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 8

9 Computer logic XOR: addizione Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 9

10 Computer logic Adder Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 10

11 Computer logic Multiplexer Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 11

12 Computer logic Circuiti sequenziali Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 12

13 Computer logic Edge triggered latch clock data Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 13

14 Computer logic D-register enable clock d0 d1 d2 d3 q0 q1 q2 q3 D in enable clock register D out Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 14

15 Livelli d'astrazione nella progettazione hardware apparati schede (B) sistemi integrati sistemi complessi: processori, cache sistemi LSI-MSI: somm., ALU, porte logiche: per simboli livello transistor: logic gates layout del singolo dispositivo Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 15

16 Elementi per il progetto di un processore Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 16

17 Il processore minimo Il tipo più semplice di processore prevederà: un, Program Counter, per puntare all istruzione da eseguire un, 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..6 Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 17

18 Per il più semplice processore prevediamo un formato a 16 bit; Nei 16 bit sono inclusi l' a 4 bit e un campo d'indirizzo a 12 bit: 4 bits 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 Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 18

19 Il set di istruzioni è anch'esso minimo: Istruzione Opcode Effetto LDA S 0000 := mem 16 [S] STO S 0001 mem 16 [S] := ADD S 0010 := + mem 16 [S] SUB S 0011 := - mem 16 [S] JMP S 0100 := S JGE S 0101 if >= 0 := S JNE S 0110 if!=0 := S STP 0111 stop Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 19

20 Il progetto della logica è divisibile in due passi fondamentali: datapath tutti gli elementi che lavorano su parole (acc.,, ALU, ) 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) Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 20

21 Progetto a livello di datapath Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 21

22 datapath Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 22

23 datapath l esecuzione dell istruzione prevede un un numero di di cicli cicli di di clock clock pari pari agli agli accessi in in memoria necessari 2 accessi 1 accessi Instruzione Opcode Effetto LDA S 0000 := mem 16 [S] STO S 0001 mem 16 [S] := ADD S 0010 := + mem 16 [S] SUB S 0011 := - mem 16 [S] JMP S 0100 := S JGE S 0101 if >= 0 := S JNE S 0110 if!=0 := S STP 0111 stop Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 23

24 datapath L'incremento del è svolto dalla stessa ALU (come si dimostrerà più avanti) Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 24

25 datapath design assunto che l istruzione sia stata caricata, il progetto a livello di datapath- prevede: 1. accesso all operando in memoria esce l indirizzo da l operando e accumulatore giungono alla ALU il risultato fornito dalla ALU è caricato nell accumulatore stesso oppure il contenuto dell accumulatore è scritto in memoria 1. fetch della nuova istruzione ( o 12 hanno l indirizzo della locazione per la nuova istruzione) il contenuto è incrementato dalla ALU il nuovo valore è salvato in 1. inizializzazione (il processore deve iniziare da uno stato noto) input di RESET per esempio: azzerata l uscita della ALU, caricarne poi il valore in Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 25

26 Progetto a livello di RTL (Register Transfer Level) Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 26

27 Organizzazione RTL MEMrq MEMrq RnW RnW ce ce Segnali di controllo Asel ce Asel ce ALU B ALU A B A Alcuni segnali di abilitazione Il dato è caricato nel registro in corrispondenza del fronte negativo di clock Bsel Bsel 0 mux 0 mux 1 1 Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 27

28 Progetto della logica di controllo: Decodifica dell'istruzione corrente; Generare i segnali di controllo all'interno del datapath; È intuibile che il progetto prevede quello di una FSM: La rappresentazione mediante il diagramma degli stati è superflua Vi sono solo due stati: Fetch e Execute => solo 1 bit di stato Progetto FSM Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 28

29 Progetto della FSM Asel Asel ce ce Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 ce ce ALU B ALU A B A Bit di stato Ex/ft: execute = 0 fetch = 1 tabella degli stati: inputs outputs Op-code Ex/ft 15 instruction Reset Bsel ce MEMrq EX/ft Asel ce R/nW Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 29

30 Progetto FSM: es. LDA S (Ex/ft=1) Asel Asel ce ce Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 ce ce ALU B ALU A B A fase di fetch <- +1 inputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW LDA S x x outputs B preparo memorizzazione dell indirizzo S. Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 30

31 Progetto FSM: es. LDA S (Ex/ft=0) Asel Asel ce ce ce ce ALU B ALU A B A fase di execute preparo memorizz. nell accumulatore inputs Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW LDA S x x La prossima è il fetch dell'istruzione succ. outputs = B Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 31

32 Progetto FSM: es. STO S ce ce Asel Asel ce ce Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 ALU B ALU A B A R / W preparo memorizz. in memoria inputs outputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW STO S x x 1 x x STO S x x B Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 32

33 Progetto FSM: es. ADD S ce ce Asel Asel ce ce ALU B ALU A B A Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 inputs outputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW ADD S x x A+B ADD S x x B Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 33

34 Progetto FSM: es. SUB S ce ce Asel Asel ce ce ALU B ALU A B A Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 inputs outputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW SUB S x x A-B SUB S x x B Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 34

35 Progetto FSM: es. JMP S ce ce Asel Asel ce ce ALU B ALU A B A Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 inputs outputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW JMP S x x x B Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 35

36 Progetto FSM: es. JGE S ce ce Asel Asel ce ce ALU B ALU A B A Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 inputs outputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW JGE S x x B JGE S x x B Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 36

37 Progetto FSM: es. JNE S ce ce Asel Asel ce ce ALU B ALU A B A Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 inputs outputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW JNE S x 0 x B JNE S x 1 x B Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 37

38 Progetto FSM: es. STP ce ce Asel Asel ce ce ALU B ALU A B A Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 inputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW STP 0111 outputs 0 x x x 1 x x Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 38

39 Progetto FSM: es. RST Asel Asel ce ce Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 ce ce ALU B ALU A B A N.B.: in realtà l'alu calcola il valore B+1 in modo che quando il segnale di RST è disabilitato in vada l'indirizzo dell'istruzione successiva RST CLK Qui, all'uscita dal reset viene memorizzato +1 = 001 in inputs outputs Op-code Ex/ft 15 Bsel ce MEMrq EX/ft instruction Reset Asel ce R/nW RST xxxx 1 x x x = Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 39

40 Progetto FSM: sintesi ce ce Asel ce Asel ce ALU B ALU A B A Bsel Bsel 0 mux 1 0 mux 1 organizzazione RTL fetch dell istruzione corrente e incremento di => coincidono Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 40

41 Progetto della ALU (Arithmetic Logic Unit) Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 41

42 Progetto della ALU Dalla tabella utilizzata per il progetto della FSM si ricavano quali siano le funzioni che la ALU deve svolgere. Le funzioni da implementare sono: A+B: semplice adder; A-B: eq. a A+B +1 => inv. B e forzare Cin a 1; B: forzare A e Cin a 0; B+1: forzare A = 0 e Cin = 1 N.B.: per il reset (=0) si può usare lo stesso segnale che azzeri l'uscita (senza inserire una quinta funzione) Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 42

43 Progetto della ALU Le funzioni da implementare sono: A+B: semplice adder; A-B: eq. a A+B +1 => invertire B e forzare Cin a 1; B: forzare A e Cin a 0; B+1: forzare A = 0 e Cin = 1 Binv Binv Cin Cin reset reset B sum sum A Aen Aen Cout Cout Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 43

44 Sviluppi futuri per il Aumentare il numero di linee di indirizzo; Aumentare i modi di indirizzamento; Consentire il salvataggio di (subroutines); Aggiungere altri registri interni; inserire linee di interrupt; Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 44

45 Riferimenti S. Furber, ARM, system-on-chip architecture, 2 nd ed. : cap. 1 (pp. 1-13) Appendice: pp Microelettronica 2012 Stefano Salvatori 45