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. 2016/2017 Eccetto dove diversamente specificato, i contenuti di questo documento sono rilasciati sotto Licenza Creative Commons Attribuzione 3.0 Italia. S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (1 di 70)

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 SM Note sul progetto di un set di istruzioni formato tipi modi di indirizzamento S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (2 di 70)

3 Intel transistor S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (3 di 70)

4 La tecnologia di oggi S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (4 di 70)

5 Livelli di interconnessione S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (5 di 70)

6 Un processore di oggi > 10 9 transistor S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (6 di 70)

7 Legge di Moore Microprocessor ransistor 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 3 Core 2 Duo Cell 10-Core Xeon Westmere-EX 8-core POWER7 Quad-core z196 Quad-Core Itanium ukwila 8-Core Xeon Nehalem-EX Six-Core Opteron 2400 Core i7 (Quad) 100,000,000 AMD K8 Pentium 4 Barton Atom ransistor 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 marzo 2017 (7 di 70)

8 Legge di Moore Microprocessor ransistor Counts & Moore's Law 16-Core SPARC 3 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 ukwila 8-Core Xeon Nehalem-EX Six-Core Opteron 2400 Core i7 (Quad) ransistor 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 3 Core 2 Duo Cell 10-Core Xeon Westmere-EX 8-core POWER7 Quad-core z196 Quad-Core Itanium ukwila 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 marzo 2017 (8 di 70)

9 Come lavora un processore: cenni sulla programmazione strutturata S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (9 di 70)

10 Il processore come macchina programmabile Un processore è un sistema elettronico in grado di eseguire un programma.. 16 instructions registers address data processor instructions and data memory S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (10 di 70)

11 Descrizione di un algoritmo input/output istruzione blocco di istruzioni condizione inizio/fine connessione S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (11 di 70)

12 Programmazione strutturata cond cond condizione sequenza ciclo while S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (12 di 70)

13 Esempio Addizione tra due numeri somma In A In B input C A + B assegnazione Out C output end S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (13 di 70)

14 Esempio Massimo tra due numeri max In A, B A > B confronto max A max B Out max end S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (14 di 70)

15 max Esempio Ricerca massimo (-1 per uscire) max 0 A 0 A!= -1 In A max A A > max Out max S. Salvatori - Microelettronica end marzo 2017 (15 di 70)

16 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 marzo 2017 (16 di 70)

17 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 marzo 2017 (17 di 70)

18 Ciclo for i iniz cond. i modif. i S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (18 di 70)

19 Ciclo for i iniz cond cond. i modif. i ciclo while S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (19 di 70)

20 Ciclo for: esempio for(i = ; i>0; i ) {... } I i > 0 i = ; while(i>0) {... i ; } Ciclo while equivalente i i - 1 S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (20 di 70)

21 Ciclo for: esempio blocco di istruzione eseguite ad ogni ciclo for(i = ; i>0; i ) {... } I i > 0 Assegnazione iniziale Condizione per rimanere nel ciclo i i - 1 Operazione di aggiornamento alla fine di un ciclo S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (21 di 70)

22 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 marzo 2017 (22 di 70)

23 Ciclo per un uc start iniziallizz. Ciclo infinito true funzione end S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (23 di 70)

24 Ciclo per un uc... //istruzioni di inizializzazione while(1) {... //istruzioni eseguite dal // uc durante il suo lavoro } start iniziallizz. true funzione end S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (24 di 70)

25 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 marzo 2017 (25 di 70)

26 4 eventi Specifiche: Acquisire lo stato di un ingresso; evento Ogni volta che l'ingresso passa dallo stato logico basso a quello alto si genera un evento; IN = 0 Aspetta che l'input esca dallo stato basso Una uscita deve diventare alta ogni 4 eventi. return Qui c'è stato il fronte positivo Att.ne: che succede se rientro troppo presto? S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (26 di 70)

27 4 eventi evento IN = 0 Inizio test fine test Inizio nuovo test return IN: Così uscirei subito ma in realtà non c'è stato il nuovo fronte positivo S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (27 di 70)

28 4 eventi Specifiche: Acquisire lo stato di un ingresso; evento Ogni volta che l'ingresso passa dallo stato logico basso a quello alto si genera un evento; IN = 0 Aspetta che l'input esca dallo stato basso Una uscita deve diventare alta ogni 4 eventi. Qui c'è stato il fronte positivo IN = 1 Aspetta che l'input torni nello stato basso return S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (28 di 70)

29 4 eventi start Specifiche: true end Acquisire 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. out 0 e 0 e < 4 evento IN = 0 evento IN = 1 e e + 1 out 1 return S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (29 di 70)

30 Architettura e organizzazione di un microprocessore S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (30 di 70)

31 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 marzo 2017 (31 di 70)

32 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 marzo 2017 (32 di 70)

33 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) 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 marzo 2017 (33 di 70)

34 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 marzo 2017 (34 di 70)

35 Elementi fondamentali di una CPU incrementer PC... DECODER AI BUS ESERNI MAR MDR IR SR UNZ REG ALU R0 R1 BANCO DI REGISRI Rn REG S. Salvatori - Microelettronica marzo 2017 (35 di 70)

36 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 marzo 2017 (36 di 70)