Lezione 29 Il processore: unità di controllo (2)

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1 Lezione 29 Il processore: unità di lo (2) Vittorio Scarano Architettura Corso di Laurea in Informatica Università degli Studi di Salerno Organizzazione della lezione 2 Un riepilogo: ruolo della unità di lo progettazione mediante macchina a stati finiti Semplificazione del progetto della unità di lo mediante la microprogrammazione 1

2 La unità di lo 3 Responsabile dei segnali di lo che vengono inviati alla unità di elaborazione Alcune difficoltà gestione dei diversi passi di esecuzione della istruzione Due tecniche per la progettazione della unità di lo tecniche per la rappresentazione della UC Queste rappresentazioni della UC permettono la sintesi automatica della implementazione sotto forma di ROM o di PLA Le macchine a stati finiti 4 Rappresentazione simbolica del comportamento Costituite da: un insieme di stati (rappresentati con un cerchio) insieme di transizioni di stato attraverso una funzione di prossimo stato che mette in relazione lo stato corrente e lo stato successivo Nella rappresentazione della UC ogni stato rappresenta i valori dei segnali di lo che sono messi a 1 quelli non esplicitati vanno messi a 0 per il lo dei multiplexer è invece necessario specificare ad ogni passo il valore 2

3 Schema riassuntivo dei passi 5 Nome del passo Istruzioni di tipo R Azione intrapresa Accesso Memoria Salti condizionati Salti incondizionati Prelievo Decodifica IR= Memoria[PC] PC=PC+4 A = Reg[IR[25-21]] B=Reg{IR{20-16]] Out = PC+(sign-extend(IR[15-0])<<2 Esecuzione, Out=A op B Out = A + Sign-extend(IR{15- if (A==B) then PC=PC[31-28] calcolo ind., salti 0]) PC=Out (IR[25-0]<<2) Accesso Mem compl. R Reg[IR[15-11]]=Out Load: MDR=Memoria[Out] Store: Memoria[Out]=B Compl. lettura da memoria Load: Reg[IR[20-16]]=MDR Una visione completa della macchina a SF 6 2 SrcA = 1 SrcB = 10 Op =00 3 address computation 4 (Op = 'LW') MemRead IorD = 1 access RegDst =0 RegWrite MemtoReg=1 (Op = 'SW') 5 Write-back step Start MemWrite IorD = 1 access Instruction fetch 0 MemRead SrcA =0 IorD = 0 IRWrite SrcB =01 Op =00 PCWrite PCSource = 00 6 (Op = 'LW') or (Op = 'SW') 7 Execution SrcA =1 SrcB =00 Op= 10 RegDst = 1 RegWrite MemtoReg =0 R-type completion (Op = R-type) Branch completion 8 SrcA = 1 SrcB =00 Op =01 PCWriteCond PCSource = 01 (Op = 'BEQ') Instruction decode/ register fetch 1 9 SrcA =0 SrcB =11 Op = 00 (Op = 'J') Jump completion PCWrite PCSource = 10 3

4 Implementazione della UC dalla MSF 7 Uso di un registro temporaneo che memorizza lo stato corrente di un blocco di logica combinatoria che determina i segnali e lo stato futuro Combinational logic Inputs Inputs from instruction register opcode field Outputs State register Datapath outputs Next state Organizzazione della lezione 8 Un riepilogo: ruolo della unità di lo progettazione mediante macchina a stati finiti Semplificazione del progetto della unità di lo mediante la microprogrammazione 4

5 Necessità di strumenti progettuali più efficaci 9 Per la progettazione della Unità di lo per il set di istruzioni del MIPS ridotto (da noi studiato) la macchina a stati finiti ha 10 e quindi risulta facilmente gestibile Per unità di lo per implementazioni complete da 1 a 20 cicli di clock centinaia di stati con molti più archi la rappresentazione grafica diventa complicata da mantenere possibili errori di progettazione Necessario uno strumento più efficace.. L idea: la microprogrammazione Trattare l insieme dei segnali di lo come una istruzione da eseguire una istruzione di lo detta microistruzione per differenziarla dalle istruzioni MIPS Ogni microistruzione definisce quali segnali vanno messi a 1 in un certo stato definisce anche quale è la successiva microistruzione da eseguire Il microprogramma rappresentazione simbolica della unità di lo 10 5

6 Il microprogramma Rappresentazione simbolica della unità di lo che verrà tradotta in porte logiche da strumenti automatici come per le macchine a stati finiti Formato delle microistruzioni valgono gli stessi principi progettuali della progettazione della unità di elaborazione (semplicità etc.) Formato campi che specificano il valore dei segnali di lo 11 Il formato delle microistruzioni Ogni microistruzione contiene 7 campi 12 Campo SRC1 SRC2 Register PCWrite Funzione operazione compiuta da ; risultato in Out provenienza primo operando provenienza secondo operando lettura o scrittura del banco dei registri e provenienza dei valori in caso di scrittura lettura o scrittura della memoria e provenienza dei dati; in caso di lettura specifica il registro destinazione modalità di aggiornamento del PC modalità di scelta della istruzione successiva 6

7 La scelta della microistruzione successiva 13 Diverse possibilità: 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 una etichetta il campo viene messo al valore passare alla microistruzione a seconda di valori indicati in input alla unità di lo si usa una tabella di Dispatch (solitamente una ROM) il campo viene messo al valore Dispatch i dove iè il valore che viene passato alla tabella di Dispatch che restituisce la prossima istruzione I valori dei campi (1) Label stringa indica la label della istruzione Add Subt deve sommare deve sottrarre SRC1 SRC2 Func code PC A B 4 deve usare funct per la operazione PC è il primo operando della registro A è il primo operando della registro B è il secondo operando della il valore 4 è il secondo operando della Extend uscita esten. segno è il secondo operando della Extshift uscita dello shift è il secondo operando della 14 7

8 I valori dei campi (2) Register Read Write legge i due registri, usando IR, output in A e B scrive usando rt come registro, e Out come dato Write MDR scrive usando rt come registro, e MDR come dato Read PC legge la memoria usando PC (indir.), risultato in IR e MDR PCWrite Read Write outcond Jump addr. legge la memoria usando Out (indir.), risultato in MDR scrive la memoria usando Out (indir.), e B (dato) scrive uscita della nel PC se Zero vale 1, scrive in PC il valore di Out scrive in PC l indirizzo di salto preso dalla istruzione Seq vai alla microistruzione successiva vai alla prima microistruzione (che inizia la esecuzione) 15 Dispatch i usa la tabella di dispatch (ROM) per indicare la prossima istr. Le label e la tabella di Dispatch Le label nel campo sequencing sono di due tipi: riferimento esplicito ad una etichetta definita per una mimcroistruzione 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 ne restituisce l indirizzo (della microistruzione) a seconda del valore dei 6 bit del campo Op che vengono passati alla unità di lo 16 8

9 Schema riassuntivo dei passi Nome del passo Istruzioni di tipo R Azione intrapresa Accesso Memoria Salti condizionati Salti incondizionati Prelievo Decodifica IR= Memoria[PC] PC=PC+4 A = Reg[IR[25-21]] B=Reg{IR{20-16]] Out = PC+(sign-extend(IR[15-0])<<2 Esecuzione, Out=A op B Out = A + Sign-extend(IR{15- if (A==B) then PC=PC[31-28] calcolo ind., salti 0]) PC=Out (IR[25-0]<<2) Accesso Mem compl. R Reg[IR[15-11]]=Out Load: MDR=Memoria[Out] Store: Memoria[Out]=B Compl. lettura da memoria Load: Reg[IR[20-16]]=MDR 17 I primi due passi 18 Incremento Program Counter e scrittura dell incremento lettura istruzione da PC (in IR) salto alla microistruzione indicata dalla tabella di dispatch Label Add Add PC PC SRC1 4 SRC2 Extshift Register Read Read PC PCWRite Seq Dispatch 1 9

10 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 1 finale delle etichette 19 Schema riassuntivo dei passi Nome del passo Istruzioni di tipo R Azione intrapresa Accesso Memoria Salti condizionati Salti incondizionati Prelievo Decodifica IR= Memoria[PC] PC=PC+4 A = Reg[IR[25-21]] B=Reg{IR{20-16]] Out = PC+(sign-extend(IR[15-0])<<2 Esecuzione, Out=A op B Out = A + Sign-extend(IR{15- if (A==B) then PC=PC[31-28] calcolo ind., salti 0]) PC=Out (IR[25-0]<<2) Accesso Mem compl. R Reg[IR[15-11]]=Out Load: MDR=Memoria[Out] Store: Memoria[Out]=B Compl. lettura da memoria Load: Reg[IR[20-16]]=MDR 20 10

11 Istruzioni di accesso alla memoria calcolo indirizzo due passi per la LW (uso di Dispatch 2) un passo per la SW Label Mem1 LW2 SW2 Add A SRC1 SRC2 Extend Register Write MDR Read Write PCWRite Dispatch 2 Seq 21 Schema riassuntivo dei passi Nome del passo Istruzioni di tipo R Azione intrapresa Accesso Memoria Salti condizionati Salti incondizionati Prelievo Decodifica IR= Memoria[PC] PC=PC+4 A = Reg[IR[25-21]] B=Reg{IR{20-16]] Out = PC+(sign-extend(IR[15-0])<<2 Esecuzione, Out=A op B Out = A + Sign-extend(IR{15- if (A==B) then PC=PC[31-28] calcolo ind., salti 0]) PC=Out (IR[25-0]<<2) Accesso Mem compl. R Reg[IR[15-11]]=Out Load: MDR=Memoria[Out] Store: Memoria[Out]=B Compl. lettura da memoria Load: Reg[IR[20-16]]=MDR 22 11

12 Istruzioni di tipo R Operazione indicata dal campo funct Scrittura nel registro del risultato della operazione Torna alla microistruzione con label fetch Label Rformat1 Func A SRC1 B SRC2 Register PCWRite Seq 23 Write Schema riassuntivo dei passi Nome del passo Istruzioni di tipo R Azione intrapresa Accesso Memoria Salti condizionati Salti incondizionati Prelievo Decodifica IR= Memoria[PC] PC=PC+4 A = Reg[IR[25-21]] B=Reg{IR{20-16]] Out = PC+(sign-extend(IR[15-0])<<2 Esecuzione, Out=A op B Out = A + Sign-extend(IR{15- if (A==B) then PC=PC[31-28] calcolo ind., salti 0]) PC=Out (IR[25-0]<<2) Accesso Mem compl. R Reg[IR[15-11]]=Out Load: MDR=Memoria[Out] Store: Memoria[Out]=B Compl. lettura da memoria Load: Reg[IR[20-16]]=MDR 24 12

13 Istruzione di branch Effettua una sottrazione tra A e B il risultato non interessa, serve solamente la linea Zero Scrivi il program counter calcolato nel passo precedente solamente se la linea Zero della è a 1 Torna alla microistruzione con label fetch Label BEQ1 Subt A SRC1 B SRC2 Register PCWRite Outc ond 25 Schema riassuntivo dei passi Nome del passo Istruzioni di tipo R Azione intrapresa Accesso Memoria Salti condizionati Salti incondizionati Prelievo Decodifica IR= Memoria[PC] PC=PC+4 A = Reg[IR[25-21]] B=Reg{IR{20-16]] Out = PC+(sign-extend(IR[15-0])<<2 Esecuzione, Out=A op B Out = A + Sign-extend(IR{15- if (A==B) then PC=PC[31-28] calcolo ind., salti 0]) PC=Out (IR[25-0]<<2) Accesso Mem compl. R Reg[IR[15-11]]=Out Load: MDR=Memoria[Out] Store: Memoria[Out]=B Compl. lettura da memoria Load: Reg[IR[20-16]]=MDR 26 13

14 Istruzione di jump Scrivi nel PC il nuovo indirizzo Torna alla microistruzione con label fetch Label SRC1 SRC2 Register PCWRite JUMP1 Jump address 27 L intero microprogramma Label SRC1 SRC2 Register PCWRite Add PC 4 Read PC Seq Add PC Extshift Read Dispatch 1 Mem1 Add A Extend Dispatch 2 LW2 SW2 Rformat1 Func A B Write MDR Write Read Write Seq Seq BEQ1 Subt A B Outco nd 28 JUMP1 Jump address 14

15 Implementazione del microprogramma Il microprogramma può essere visto come una rappresentazione di una macchina a stati finiti e quindi può essere usato per lo stesso tipo di generazione automatica della ROM (o PLA) per la implementazione Una implementazione alternativa implementare 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 29 La implementazione alternativa Microcode Microcode storage storage Outputs Outputs Datapath Datapath outputs outputs 1 1 Adder Adder Input Input Microprogram counter Microprogram counter Address select logic Address select logic Inputs from instruction Inputs from instruction register opcode field register opcode field 30 15

16 Alcuni esercizi/domande.. (1) (dove non specificato si intende sempre per la unità di elaborazione a ciclo multiplo ) A cosa serve il segnale di lo PCWriteCond? Quale è la differenza tra una istruzione ed una microistruzione? Per eseguire una istruzione add, quale è il segnale di lo Op? Quanti passi sono necessari per eseguire la istruzione sw? e per la lw? Cosa si trova in Op alla fine del secondo passo di esecuzione di una istruzione? 31 Alcuni esercizi/domande.. (2) 32 Quale è la differenza tra una unità di elaborazione a ciclo singolo ed una a ciclo multiplo? e quale è preferibile e perché? Quali sono le istruzioni che vengono eseguite nel minor numero di passi? Tutte le istruzioni di tipo R vengono eseguite nello stesso numero di passi? Tutte le istruzioni di tipo I vengono eseguite nello stesso numero di passi? Modificare la unità di elaborazione per eseguire anche la istruzione BNE può essere introdotto qualche altro segnale di lo 16