operation a b result operation a b MUX result sum i2 cin cout cout cin

Transcrição

1 Módulo 5 Descrição e simulção em VHDL: ALU do MIPS Ojectivos Pretende-se que o luno descrev, n lingugem VHDL, circuitos comintórios reltivmente complexos, usndo, pr esse efeito, lguns mecnismos d lingugem pr trtr ess complexidde. Pr cumprir esse ojectivo, o luno deve descrever em VHDL ALU de 32 its do MIPS e proceder, de seguid, à su simulção. Leiturs: Wkerly, secção 4.7. Sessão Lortoril. Descrever em VHDL ALU de 32 its do MIPS. Começr com um ALU de it e expndi-l pr 32 its. A ALU efectu s operções AND (E-lógico), OR (OUlógico), ADD (som), SUB (sutrcção) e SLT set thn e dá poio às instruções de slto seds no fcto de 2 registos serem iguis ou diferentes. 2. Simulr descrição d ALU trvés dum testench, vlidndo o funcionmento d ALU em cd um ds 5 operções e plicndo nos operndos um conjunto relevnte de vlores. O luno deve ind ler secção seguinte, que descreve dum form incrementl ALU de 32 its do MIPS. Adicionlmente, conselh-se consult dos seguintes livros, que poderão uxilir o luno n resolução dest sessão lortoril: Dvid A. Ptterson e John L. Hennessy, Computer Orgniztion nd Design: the Hrdwre/Softwre Interfce, pág , Morgn Kufmnn Pulishers, 2 edição, 998. ISBN X. Sudhkr Ylmnchili, Introductory VHDL: from Simultion to Synthesis, Prentice- Hll, 2. ISBN

2 Descrição Incrementl d ALU do MIPS Pr explicr rquitectur d ALU do MIPS, utiliz-se um processo evolutivo que prte dum ALU simples de it que é rend em váris etps té se oter um ALU de 32 its sed num ALU de it mis elord que originl. Este processo é descrito em seis etps.. A ALU de it inicil execut pens s operções mis fáceis de implementr em hrdwre, ou sej, s operções lógics OR e AND (gur 2). De cordo com o vlor do sinl opertion, o multiplexdor 2: seleccion qul o do colocr n síd d ALU: o E-lógico ou o OU-lógico ds entrds de it e. opertion Figur 2: ALU de it que execut s operções AND e OR. 2. Ao incluir operção de som n ALU de it, implementd por um somdor de it completo como o que se ilustr n gur 9, otém-se ALU d gur 3, que coincide com que se oteve no exercício 4 do módulo n o 5. Como mostr gur 9, o umentr de 2 pr 3o número de operções distints efectuds pel ALU, o número de entrds do multiplexdor ument n mesm proporção. Adicionlmente, é necessário incluir os sinis e. opertion MUX i i2 + sum 2 Figur 3: ALU de it que execut s operções AND, OR e som. 3. Constrói-se um ALU de 32 its que execut s operções AND, OR e som, trvés d ligção de 32 ALUs como que se oteve n etp nterior. N ALU de 32 its d gur 4, o sinl de trnsporte n síd d ALU de ordem i ( i ) é ligdo o sinl de trnsporte n entrd d ALU de ordem i +( i+ ). 4. Alter-se ALU de 32 its de modo poder efectur sutrcções de vlores representdos em complemento pr 2. A estrtégi utilizr n implementção d 2

3 opertion opertion ALU opertion ALU opertion ALU 3 3 Figur 4: ALU de 32 its que execut s operções AND, OR e som. sutrcção entre e de = + +, em que é o complemento pr de.o complemento pr dum número otém-se com um simples inversão dos its deste número.deste modo, pr ALU poder efectur som e sutrcção de com, inclui-se, n ALU de it, um multiplexdor 2: que seleccion o segundo operndo d ALU entre e.pr concretizr sutrcção n form + + flt somr o do d som entre e.o termo é introduzido, n ALU de 32 its, trvés do entrd d ALU de it menos signictiv (ALU ), um vez que est é um entrd do seu somdor.a ALU de it, lterd de modo executr s operções AND, OR, som e sutrcção, é presentd n gur 5. opertion i i2 + sum 2 MUX Figur 5: ALU de it que execut s operções AND, OR, som e sutrcção. 2

4 5. A ALU de 32 its otid n fse nterior é lterd de modo poder executr instrução set thn (SLT) do MIPS. A instrução SLT produz o do.. se o primeiro operndo for menor que o segundo e.. nos outros csos. Pr ALU de it suportr instrução SLT, é necessário introduzir mis um entrd (4 ) no multiplexdor que seleccion o do d ALU, otendo-se ssim ALU d gur 6 (i). Est entrd, designd por n gur 6, é ligd '' ns ALUs que processm os its 3. Pr oter o sinl n ALU menos signictiv, é preciso tender que ele será '' qundo o do d sutrcção entre o primeiro e o segundo operndos d instrução for negtivo e será '' se o do d sutrcção for positivo. Assim, entrd d ALU coincide com o it de sinl do do d sutrcção necessári à instrução SLT, ou sej, entrd d ALU coincide com síd sum do somdor d ALU mis signictiv (ALU 3). Deste modo, ALU 3 tem que ser diferente ds outrs, com o ojectivo de disponiilizr pr o seu exterior síd sum do somdor: síd set n gur 6 (ii). Com s dus versões d ALU de it incluíds n gur 6, pode construir-se ALU de 32 its do MIPS (gur 7). 6. Pr concluir ALU do MIPS, flt pens incluir suporte pr os sltos, em que decisão de sltr do fcto de os conteúdos de 2 registos (operndos d ALU) serem ou não iguis. A comprção dos registos é implementd com um sutrcção n ALU, em que o do d sutrcção é nulo qundo os 2 operndos são iguis e é diferente de zero qundo os 2 operndos são diferentes: = =. Pr vericr se o do d sutrcção é ou não nulo, utiliz-se um OU-lógico negdo entre os 32 its de do d ALU (gur 8). Pr efectur operção de sutrcção (utilizd ns instruções de sutrcção, set thn e sltos), os sinis e têm que ser '', enqunto que pr executr s operções AND, OR e som exige-se que estes sinis sejm ''. Portnto, os sinis e são sempre iguis, podendo por isso ser sustituídos por um único sinl: Bnegte n gur 8. Cominndo entrd Bnegte (it 2) com entrd opertion (its :) otém-se entrd únic opertion com 3 its, que indic operção executr pel ALU (tel ). A ALU do MIPS é representd pelo símolo d gur 9. Sinl opertion Operção d ALU AND OR som sutrcção SLT Tel : Correspondênci entre o vlor plicdo no sinl de controlo opertion e operção executd pel ALU do MIPS. Em conclusão, ALU implementr é ilustrd n gur 8 e s ALUs de it com que el é construíd encontrm-se n gur 6. 22

5 opertion m o i i2 + sum s 2 MUX 3 (i) opertion m o i i2 + sum s 2 MUX 3 (ii) set Figur 6: ALU de it do MIPS, que permite executr s operções AND, OR, som, sutrcção e set thn: (i) ALU pr os its 3 e (ii) ALU pr o it mis signictivo (it 3). 23

6 opertion opertion ALU opertion ALU ALU 3 opertion set 3 Figur 7: ALU de 32 its do MIPS, que permite executr s operções AND, OR, som, sutrcção e set thn. 24

7 Bnegte opertion opertion ALU opertion ALU ALU 3 opertion set... 3 zero Figur 8: ALU nl do MIPS, que permite executr s operções AND, OR, som, sutrcção e set thn. 25

8 opertion [2:] [3:] [3:] ALU zero [3:] Figur 9: Símolo pr ALU do MIPS. 26