Sección de procesamiento: El camino de datos

Transcripción

1 Sección de procesamiento: El camino de datos Montse Bóo Cepeda Este trabajo está publicado bajo licencia Creative Commons Attribution- NonCommercial-ShareAlike 2.5 Spain.

2 Estructura del curso 1. Evolución y caracterización de los computadores. 2. Arquitectura del MIPS: Introducción. 3. Tipo de datos. 4. El repertorio de instrucciones. 5. Aritmética del computador. 6. El camino de datos. 7. Sección de control. 8. El camino de datos multiciclo. 9. Sección de control multiciclo. 10. Entrada/Salida (I/O). 2

3 Esquema de contenidos 1. Estructura básica del procesador 2. El ciclo de instrucción 3. Diseño de un procesador sencillo 3

4 Estructura básica de un procesador CONTROL MEMORIA ALU ENTRADA/ SALIDA PROCESADOR Arquitectura Von Neumann 4

5 Estructura básica de un procesador El procesador es el que se encarga de ejecutar las instrucciones especificadas por el programa. Funciones básicas: Captar instrucciones. El procesador debe leer instrucciones de la memoria Interpretar instrucciones. La instrucción debe decodificarse para determinar qué acción es necesaria Captar datos. La ejecución puede exigir leer datos de la memoria o de un módulo de E/S Procesar datos. La ejecución de una instrucción puede exigir llevar a cabo alguna operación aritmética o lógica Escribir datos. Los resultados de una ejecución pueden tener que ser escritos en la memoria o en un módulo de E/S 5

6 Estructura básica de un procesador El procesador se compone de varias partes: 1. Unidad de control 2. Unidad aritmético-lógica 3. Un banco de registros 4. Otros registros internos: El contador de programa (PC) Registro de instrucciones (IR) 5. Buses, multiplexores, memorias 6

7 Estructura básica de un procesador Señales control del bus Bus direcciones Bus datos Unidad Control Señales de control s Señales de control Registros ALU s (operandos) s (resultados) 7

8 Metodología de sincronización El camino de datos se basa en transferencias/computaciones entre registros: Elementos combinacionales: Su salida depende únicamente de las entradas Ejemplo: ALU (sumador, multiplexor, desplazador, ) Elementos secuenciales: Operan sobre el estado del sistema. La salida depende de la entrada y del estado. Ejemplo: Memorias y registros La metodología de sincronización define cuándo pueden leerse y escribirse la diferentes señales Asumimos sincronización por flancos 8

9 Metodología de sincronización Estrategia de sincronización por flancos Lógica Estado 1 Estado 2 combinacional Ciclo de reloj 9

10 El ciclo de instrucción El procesamiento que requiere una instrucción se denomina ciclo de instrucción. Ciclo básico de instrucción: INICIO Ciclo de captación Captura de la instrucción Ciclo de ejecución Ejecución de la instrucción FIN 10

11 Diseño del camino de datos Vamos a construir un camino de datos y su unidad de control para dos realizaciones diferentes de un subconjunto del repertorio de instrucciones del MIPS: Instrucciones de acceso a memoria: lw, sw Instrucciones aritmético-lógicas: add, sub, or, slt Instrucción de salto condicional: beq Instrucción de salto incondicional: j PC Dirección Instrucción Memoria de instrucciones s nº de registro nº de registro nº de registro Registros ALU Dirección Memoria de datos s 11

12 Contador de programa El camino de datos implementa el ciclo completo de instrucción: carga-decodificación-ejecución. Cada instrucción está en una posición de memoria específica. Contador de programa: Almacenamos la dirección de la instrucción en el PC. Tras procesar una instrucción, avanzamos el contador hasta la siguiente instrucción. Elementos para la búsqueda de instrucciones y el incremento del contador de programa: Direcci n de la instrucci n Instrucci n Memoria de instrucciones PC Suma Sumador 12

13 Contador de programa Suma Sumador 4 Incrementando PC PC Direcci n Instrucci n Memoria de instrucciones 13

14 Instrucciones aritmético y lógicas TIPO R: Operaciones aritméticas y lógicas TIPO R op rs rt rd shamt funct 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits Campos: op: código de operación. rs: primer registro operando fuente rt: segundo registro operando fuente rd: registro operando destino shamt: tamaño de desplazamiento (shift amount) funct: código de función. 14

15 Instrucciones aritmético y lógicas Elementos básicos para la realización de instrucciones tipo R Control de la ALU Numero de registro lectura 1 lectura 2 escritura a escribir REGISTROS le do 1 le do 2 3 s ALU Cero Resultado de la ALU EscribirReg 15

16 Instrucciones aritmético y lógicas Operaciones tipo R: Involucran tres registros: dos de lectura y uno de escritura. Usan la ALU para realizar operaciones Control de la ALU Instrucci n lectura 1 lectura 2 escritura a escribir REGISTROS le do 1 le do 2 ALU 3 Cero Resultado de la ALU EscribirReg 16

17 Instrucciones de carga y almacenamiento Ejemplo: lw $t1, offset($t2) Dirección almacenada en $t2 + offset lw: Lectura memoria, escritura en registro $t1 Computación de la dirección: Extensión del signo del offset (16-bits) a una palabra de 32 bits con signo Requerido hardware para la extensión de signo 17

18 Instrucciones de carga y almacenamiento Load: realiza un acceso al banco de registros, calcula la dirección de memoria, lee de memoria y escribe en el banco de registros Store: realiza un acceso al banco de registros, calcula la dirección de memoria, lee del banco de registros y escribe en memoria. Elementos para la realización de loads y stores, además del banco de registros y la ALU EscribirMem 16 Entensi n 32 de signo Direcci n ledo a escribir Memoria de datos LeerMem 18

19 Instrucciones de carga y almacenamiento Control de la ALU Instrucci n lectura 1 lectura 2 escritura a escribir REGISTROS EscribirReg le do 1 le do 2 ALU 3 Cero Resultado de la ALU Direcci n a escribir EscribirMem le do Memoria de datos 16 Entensi n 32 de signo LeerMem 19

20 Salto condicional Ejemplo: beq $t1, $t2, offset Se evalúa si dos registros contienen el mismo valor ($t1, $t2) El salto es relativo. El offset es con signo y de 16 bits y tiene que realizarse una extensión de signo. Dirección de salto: La dirección base es la siguiente a la instrucción del salto (PC+4) Hacer un desplazamiento de 2 posiciones a la izquierda del offset (sólo se direccionan palabras completas) Suma el offset desplazado, con extensión de signo, al PC incrementado (PC+4) 20

21 Salto condicional PC + 4 del camino de datos de instrucciones Desp. 2 bits a la izq. Resultado Sumador Control de la ALU Destino de salto Instrucci n lectura 1 lectura 2 escritura a escribir REGISTROS le do 1 le do 2 ALU 3 Cero Decidir si se hace el salto EscribirReg 16 Entensi n 32 de signo 21

22 Diseño del camino de datos Para construir el camino de datos hemos de combinar los elementos explicados anteriormente que permiten implementar: Instrucciones de acceso a memoria: lw, sw Instrucciones aritmético-lógicas: add, sub, or, slt Instrucción de salto condicional: beq Instrucción de salto incondicional: j Reutilización del hardware: hardware compartido selecciona los datos mediante multiplexores Parte del hardware no se podrá reutilizar y habrá que replicarlo 22

23 Diseño del camino de datos Camino de datos para instrucciones de memoria y aritmético-lógicas Control de la ALU Instrucci n lectura 1 lectura 2 escritura a escribir REGISTROS EscribirReg le do 1 le do 2 Fuente ALU M U X ALU 3 Cero Resultado de la ALU Direcci n a escribir EscribirMem le do Memoria de datos Mem2reg M U X 16 Entensi n 32 de signo LeerMem 23

24 Diseño del camino de datos Incorporando contador de programa 4 Suma Sumador Control de la ALU PC Direcci n Instrucci n Memoria de instrucciones lectura 1 lectura 2 escritura a escribir REGISTROS EscribirReg le do 1 le do 2 Fuente ALU MU X ALU 3 Cero Resultado de la ALU Direcci n a escribir EscribirMem ledo Memoria de datos Mem2reg MU X 16 Entensi n 32 de signo LeerMem 24

25 Diseño del camino de datos Añadimos saltos condicionales Origen PC 4 Suma Sumador Desp. 2 bits a la izq. Suma Sumador MU X Control de la ALU PC Direcci n Instrucci n Memoria de instrucciones lectura 1 lectura 2 escritura a escribir REGISTROS EscribirReg le do 1 le do 2 Fuente ALU MU X ALU 3 Cero Resultado de la ALU Direcci n a escribir EscribirMem le do Memoria de datos Mem2reg MU X 16 Entensi n 32 de signo LeerMem 25