Organización del Computador I Verano. Control Multiciclo. Basado en el capítulo 5 del libro de Patterson y Hennessy

Transcripción

1 Organización del Computador I Verano Control Multiciclo Basado en el capítulo 5 del libro de Patterson y Hennessy Verano 2014 Profesora Borensztejn

2 Resumen Step name Instruction fetch Instruction decode/register fetch Action for R-type instructions Action for memory-reference Action for instructions branches IR = Memory[PC] PC = PC + 4 A = Reg [IR[25-21]] B = Reg [IR[20-16]] ALUOut = PC + (sign-extend (IR[15-0]) << 2) Action for jumps Execution, address ALUOut = A op B ALUOut = A + sign-extend if (A ==B) then PC = PC [31-28] II computation, branch/ (IR[15-0]) PC = ALUOut (IR[25-0]<<2) jump completion Memory access or R-type Reg [IR[15-11]] = Load: MDR = Memory[ALUOut] completion ALUOut or Store: Memory [ALUOut] = B Memory read completion Load: Reg[IR[20-16]] = MDR

3 Preguntas sencillas Cuantos ciclos necesita este código para ejecutar? lw $t2, 0($t3) lw $t3, 4($t3) beq $t2, $t3, Label #asuma que no add $t5, $t2, $t3 sw $t5, 8($t3) Label:... Que sucede en el ciclo octavo? En que ciclo se ejecuta la suma de $t2 y $t3?

4 Implementación del Control El valor de las señales de control depende de: Que instrucción está siendo ejecutada Que paso de la instrucción está siendo realizado El funcionamiento del sistema se especifica: Gráficamente mediante una máquina de estados o, Usando microprogramación La implementación luego se deriva a partir de la especificación.

5 Especificación mediante máquina de estados finita 2 Memory address computation ALUSrcA = 1 ALUSrcB = 10 ALUOp = 00 Start Instruction fetch 0 MemRead ALUSrcA = 0 IorD = 0 IRWrite ALUSrcB = 01 ALUOp = 00 PCWrite PCSource = 00 6 (Op = 'LW') or (Op = 'SW') Execution ALUSrcA =1 ALUSrcB = 00 ALUOp= 10 8 (Op = R-type) Branch completion ALUSrcA = 1 ALUSrcB = 00 ALUOp = 01 PCWriteCond PCSource = 01 Instruction decode/ register fetch 1 (Op = 'BEQ') 9 ALUSrcA = 0 ALUSrcB = 11 ALUOp = 00 (Op = 'J') Jump completion PCWrite PCSource = 10 3 (Op = 'LW') Memory access (Op = 'SW') 5 Memory access 7 R-type completion MemRead IorD = 1 MemWrite IorD = 1 RegDst = 1 RegWrite MemtoReg = 0 4 Write-back step RegDst = 0 RegWrite MemtoReg =1

6 Máquina de Estados para el control Implementación: Control logic Inputs Outputs PCWrite PCWriteCond IorD MemRead MemWrite IRWrite MemtoReg PCSource ALUOp ALUSrcB ALUSrcA RegWrite RegDst NS3 NS2 NS1 NS0 Op5 Op4 Op3 Op2 Op1 Op0 S3 S2 S1 S0 Instruction register opcode field State register

7 Control: Tabla de Verdad

8 Control Las salidas (16) dependen únicamente del estado El siguiente estado depende de: Estado actual Instrucción (campo op)

9 16 Tablas de Verdad para las salidas

10 Tabla de Verdad para el estado siguiente

11 Tabla de verdad para el bit NS0 NS0 vale 1 en los estados 1,3,5 y 7, a los cuales se llega desde, respectivamente, el estado 0, independientemente de la operación, etc, etc, etc

12 Tabla de verdad para NS1,2 y 3

13 Métodos Alternativos Dispositivos Lógicos Programables: PLA ROM ROM + secuenciador Micropragramación

14 Implementación con PLA entradas Op5 Op4 Op3 Op2 Op1 Op0 S3 S2 S1 Un PLA es un array de puertas AND y OR S0 PCWrite PCWriteCond IorD MemRead MemWrite IRWrite MemtoReg PCSource1 PCSource0 ALUOp1 ALUOp0 ALUSrcB1 ALUSrcB0 ALUSrcA RegWrite RegDst NS3 NS2 NS1 NS0 salidas

15 Implementación con ROM ROM = "Read Only Memory" Se graba la memoria con valores fijos Se usa la ROM para implementar la Tabla de Verdad Con direcciones de m-bits, podemos direccionar 2 m entradas en la ROM. Las salidas son los datos (palabras) direccionadas m n m is the "heigth", and n is the "width"

16 Implementación con ROM Cuantas entradas tenemos? 6 bits para el opcode, 4 bits para el estado = 10 líneas de direcciones (2 10 = 1024 different addresses) Cuantas salidas? 16 señales de controldel camino de datos, 4 bits de estado= 20 outputs ROM es 2 10 x 20 = 20K bits Problema: mucho desperdicio, ya que para muchisimas entradas, las salidas son idénticas. Por ejemplo, el codígo de operación se ignora muchas veces

17 ROM vs PLA Se podrían hacer dos ROMS: 4 bits de estado se usan como dirección de las palabras de salida: 2 4 x 16 bits de ROM 10 bits se usan como dirección para la función de transición (nuevo estado): 2 10 x 4 bits of ROM Total: 4.3K bits of ROM PLA es mas pequeña puede compartir términos producto solo utiliza las entradas que producen valores puede considerar los no importa 1. Tamaño es (#inputs #product-terms) + (#outputs #productterms) En el ejemplo = (10x17)+(20x17) = 460 PLA cells Una celda de PLA es un poco mas grande que una de ROM

18 Otra posible implementación En las instrucciones complejas (muchos ciclos) el siguiente estado es generalmente el secuencial Control unit PLA or ROM Input Outputs PCWrite PCWriteCond IorD MemRead MemWrite IRWrite BWrite MemtoReg PCSource ALUOp ALUSrcB ALUSrcA RegWrite RegDst AddrCtl 1 State Adder Address select logic Op[5 0] Instruction register opcode field

19 Detalle de implementación Dispatch ROM 1 Dispatch ROM 2 Op Opcode name Value Op Opcode name Value R-format lw jmp sw beq lw sw PLA or ROM State Adder Mux AddrCtl 0 Dispatch ROM 2 Dispatch ROM 1 Address select logic Op State number Address-control action Value of AddrCtl 0 Use incremented state 3 1 Use dispatch ROM Use dispatch ROM Use incremented state 3 4 Replace state number by Replace state number by Use incremented state 3 7 Replace state number by Replace state number by Replace state number by 0 0 Instruction register opcode field

20 Microprogramación Porque microprogramación? Control unit 1 Adder Microcode memory Outputs Input Microprogram counter Address select logic Op[5 0] PCWrite PCWriteCond IorD MemRead MemWrite IRWrite BWrite MemtoReg PCSource ALUOp ALUSrcB ALUSrcA RegWrite RegDst AddrCtl Datapath La ROM es la memoria donde se guardan las instrucciones para el camino de datos (microinstrucciones) La dirección de la ROM (micropc) es el estado Instruction register opcode field

21 Microprogramación Es una metodología de especificación Apropiada para arquitecturas con cientos de instrucciones, modos, alto CPI, etc. Las señales se especifican simbólicamente usando microinstrucciones Se define el formato de la microinstrucción, estructurado en campos. Luego cada campo se asocia a un conjunto de señales

22 Formato de Microinstrucción Field name Value Signals active Comment Add ALUOp = 00 Cause the ALU to add. ALU control Subt ALUOp = 01 Cause the ALU to subtract; this implements the compare for branches. Func code ALUOp = 10 Use the instruction's function code to determine ALU control. SRC1 PC ALUSrcA = 0 Use the PC as the first ALU input. A ALUSrcA = 1 Register A is the first ALU input. B ALUSrcB = 00 Register B is the second ALU input. SRC2 4 ALUSrcB = 01 Use 4 as the second ALU input. Extend ALUSrcB = 10 Use output of the sign extension unit as the second ALU input. Extshft ALUSrcB = 11 Use the output of the shift-by-two unit as the second ALU input. Read Read two registers using the rs and rt fields of the IR as the register numbers and putting the data into registers A and B. Write ALU RegWrite, Write a register using the rd field of the IR as the register number and Register RegDst = 1, the contents of the ALUOut as the data. control MemtoReg = 0 Write MDR RegWrite, Write a register using the rt field of the IR as the register number and RegDst = 0, the contents of the MDR as the data. MemtoReg = 1 Read PC MemRead, Read memory using the PC as address; write result into IR (and lord = 0 the MDR). Memory Read ALU MemRead, Read memory using the ALUOut as address; write result into MDR. lord = 1 Write ALU MemWrite, Write memory using the ALUOut as address, contents of B as the lord = 1 data. ALU PCSource = 00 Write the output of the ALU into the PC. PCWrite PC write control ALUOut-cond PCSource = 01, If the Zero output of the ALU is active, write the PC with the contents PCWriteCond of the register ALUOut. jump address PCSource = 10, Write the PC with the jump address from the instruction. PCWrite Seq AddrCtl = 11 Choose the next microinstruction sequentially. Sequencing Fetch AddrCtl = 00 Go to the first microinstruction to begin a new instruction. Dispatch 1 AddrCtl = 01 Dispatch using the ROM 1. Dispatch 2 AddrCtl = 10 Dispatch using the ROM 2.

23 Microcódigo: Ventajas- Desventajas Ventajas en la especificación: Fácil de diseñar: se escribe el microprograma Implementación en ROM (off-chip) Fácil de cambiar Puede emular otras arquitecturas Puede usar registros internos Desventajas de la implementación Control se implementa (hoy) en el mismo chip que el camino de datos La ROM no es mas rápida que la RAM (CISC vs RISC)

24 FIN Control