Sistemas Digitais Palavra de Controle (Control Word)

Transcrição

1 Sistemas Digitais Palavra de Cotrole (Cotrol Word) Referêcia Bibliográfica: Logic ad Computer Desig Fudametals Mao & Kime Adaptações: josé artur quilici-gozalez

2 Sumário Datapaths e Cotrol Word Itrodução Exemplo de Datapath Arithmetic Logic Uit (ALU) Deslocador ou Shifter Represetação de Datapath Cotrol Word

3 Itrodução Especificação de um Computador Istructio Set Architecture (ISA) - a especificação de um computador para um programador em seu ível mais baixo Computer Architecture uma descrição em alto ível do hardware que implemeta o computador a partir da ISA Na realidade, a arquitetura ormalmete iclui especificações adicioais tais como velocidade, custo e cofiabilidade.

4 Itrodução (cotiuação) A arquitetura de um computador simples é decomposta em: Camiho de Dados (Datapath) para realizar operações de trasferêcia e processameto de dados Uidade de Cotrole para autorizar e determiar a sequêcia de operações do Datapath Um Datapath é especificado por: Um cojuto de registradores Uma lógica digital (Bus,, Decoder, ALU etc.) que implemeta as micro-operações os dados armazeados os registradores Uma iterface de cotrole que supervisioa a sequêcia de operações o sistema

5 Iteração etre Datapath e Uidade de Cotrole Siais de Cotrole são siais biários que ativam as operações de processameto de dados A Uidade de Cotrole, por sua vez, recebe Siais de Estado do Datapath (úteis para a Uidade de Cotrole determiar a sequêcia específica de operações) Tato a Uidade de Cotrole quato o Datapath podem iteragir com outras partes do Sistema Digital (como Memória, lógica de Iput-put) através das Etradas e Saídas de Dados e Cotroles etc.

6 Datapaths Pricípios para datapaths básicos: O cojuto de registradores Coleção de registradores idividuais Um cojuto de registradores com recursos de acesso comum chamado register file (para armazear resultados parciais) Uma combiação dos ites acima Implemetação de micro-operação Um ou mais recursos compartilhados para implemetar as micro-operações Buses vias de trasferêcias compartilhadas Arithmetic-Logic Uit (ALU) - recursos compartilhados para implemetar micro-operações aritméticas e lógicas Shifter - recurso compartilhado para implemetar microoperações de deslocameto

7 Quatro registradores com carga paralela Dois selecioadores de registradores baseados em mux Um decodificador de registrador de destio Mux B para etrada de uma costate extera Buses A e B com edereço extero e saídas de dados ALU e Shifter com Mux F para seleção de saída Lógica para geração de status bits V, C, N, Z (Overflow, Carry, Negative, Zero) Mux D para etrada de dado extero Exemplo de Datapath Write D data eable Decoder V C N Z D address Costat i Destiatio select MB select Bus A R R R R MD select Bus D B Bus B D A address A select A data B address B select B data Register file A B G select H select 4 A B B S : C S i Arithmetic/logic I R Shifter I L uit (ALU) G H Zero Detect MF select F Fuctio uit F Address Data Data I

8 Exemplo de uma Micro-operação o Datapath Micro-operação: R R + R Write D data eable A address A select B address B select R R R Decoder V C N Z D address Costat i Destiatio select MB select Bus A R MD select Bus D B Bus B D A data B data Register file A B G select H select 4 A B B S : C S i Arithmetic/logic I R Shifter I L uit (ALU) G H Zero Detect MF select F Fuctio uit F Address Data Data I

9 Exemplo de uma Micro-operação o Datapath Micro-operação: R R + R Aplique em A select para carregar o coteúdo de R o Bus A Write D data eable R A select B select A address B address R R Decoder V C N Z D address Costat i Destiatio select MB select Bus A R MD select Bus D B Bus B D A data B data Register file A B G select H select 4 A B B S : C S i Arithmetic/logic I R Shifter I L uit (ALU) G H Zero Detect MF select F Fuctio uit F Address Data Data I

10 Exemplo de uma Micro-operação o Datapath Micro-operação: R R + R Aplique em A select para carregar o coteúdo de R o Bus A Write D data eable R A address A select B address B select Aplique em B select para carregar o coteúdo de R em B data e aplique em MB select para carregar B data o Bus B R R Decoder V C N Z D address Costat i Destiatio select MB select Bus A R MD select Bus D B Bus B D A data B data Register file A B G select H select 4 A B B S : C S i Arithmetic/logic I R Shifter I L uit (ALU) G H Zero Detect MF select F Fuctio uit F Address Data Data I

11 Exemplo de uma Micro-operação o Datapath Micro-operação: R R + R Aplique em A select para carregar o coteúdo de R o Bus A Write D data eable R A address A select B address B select Aplique em B select para carregar o coteúdo de R em B data e aplique em MB select para carregar B data o Bus B Aplique em G select para realizar a adição G = Bus A + Bus B R R Decoder V C N Z D address Costat i Destiatio select MB select Bus A R MD select Bus D B Bus B D A data B data Register file A B G select H select 4 A B B S : C S i Arithmetic/logic I R Shifter I L uit (ALU) G H Zero Detect MF select F Fuctio uit F Address Data Data I

12 Exemplo de uma Micro-operação o Datapath Micro-operação: R R + R Aplique em A select para carregar o coteúdo de R o Bus A Aplique em B select para carregar o coteúdo de R em B data e aplique em MB select para carregar B data o Bus B Aplique em G select para realizar a adição G = Bus A + Bus B Aplique tato em MF select quato em MD select para carregar G o Bus D Write D data eable Decoder V C N Z D address Costat i Destiatio select MB select Bus A R R R R MD select Bus D B Bus B D A address A select A data B address B select B data Register file A B G select H select 4 A B B S : C S i Arithmetic/logic I R Shifter I L uit (ALU) G H Zero Detect MF select F Fuctio uit F Address Data Data I

13 Exemplo de uma Micro-operação o Datapath Micro-operação: R R + R Aplique em A select para carregar o coteúdo de R o Bus A Aplique em B select para carregar o coteúdo de R em B data e aplique em MB select para carregar B data o Bus B Aplique em G select para realizar a adição G = Bus A + Bus B Aplique tato em MF select quato em MD select para carregar G o Bus D Aplique em Destiatio select para habilitar a etrada em R Write D data eable Decoder V C N Z D address Costat i Destiatio select MB select Bus A R R R R MD select Bus D B Bus B D A address A select A data B address B select B data Register file A B G select H select 4 A B B S : C S i Arithmetic/logic I R Shifter I L uit (ALU) G H Zero Detect MF select F Fuctio uit F Address Data Data I

14 Exemplo de uma Micro-operação o Datapath Micro-operação: R R + R Aplique em A select para carregar o coteúdo de R o Bus A Aplique em B select para carregar o coteúdo de R em B data e aplique em MB select para carregar B data o Bus B Aplique em G select para realizar a adição G = Bus A + Bus B Aplique tato em MF select quato em MD select para carregar G o Bus D Aplique em Destiatio select para habilitar a etrada em R Aplique em eable para forçar a etrada de R em (para que R seja carregado o próximo clock ão mostrado) A micro-operação completa requer ciclo de clock Write D data eable Decoder V C N Z D address Costat i Destiatio select MB select Bus A R R R R MD select Bus D B Bus B D A address A select A data B address B select B data Register file A B G select H select 4 A B B S : C S i Arithmetic/logic I R Shifter I L uit (ALU) G H Zero Detect MF select F Fuctio uit F Address Data Data I

15 Deslocador Combiacioal O deslocameto de dados pode ser feito com um Registrador de Deslocameto, porém três pulsos de clock são ecessários para completar a operação (um pulso para carregar o dado, outro para fazer o deslocameto e um terceiro para eviar o resultado ao registrador de destio) Em vez disso, a trasferêcia de um registrador de origem para um registrador de destio pode ser feita um úico pulso de clock, utilizado-se um Circuito Combiacioal, costruído com es Com a Variável de Seleção S =, B passa pelo Deslocador Combiacioal sem mudaças Com S =, ocorre um deslocameto para a direita Com S =, ocorre um deslocameto para a esquerda

16 Deslocador Circular (Barrel Shifter) Em algumas aplicações, o dado precisa ser deslocado mais de uma posição um úico pulso de clock O Deslocador Circular é um circuito combiacioal que desloca ou roda um úmero de posições especificado por um valor biário No tipo de deslocador aqui cosiderado, os bits proveietes da parte mais sigificativa (MSB) são eviados para a posição meos sigificativa (LSB), realizado um deslocameto de posições para a esquerda ou direita (ote que o deslocameto de três posições para a esquerda correspode ao deslocameto de uma posição para a direita!) Com as Variáveis de Seleção S S =, D passa pelo Deslocador Circular sem mudaças Com S S =, ocorre o deslocameto de uma posição para a esquerda (D vai para Y, D para Y etc.) Com S S =, ocorre um deslocameto de duas posições para a esquerda, e com S S =, três posições para a esquerda (D vai para Y, D para Y, D para Y, e D para Y )

17 Datapath = Register File + Uidade Fucioal Com uma estrutura hierárquica de represetação, é possível reduzir a complexidade aparete do Datapath agrupado os Registradores e a Lógica de Seleção dos Registradores um Register File (Baco de Registradores)_ Numa Uidade Fucioal são agrupados o Deslocador, a ALU e os três es Dessa forma, a implemetação de um módulo pode ser substituída por outra, sem prejuízo da fucioalidade geral Na realidade, um Register File é implemetado ormalmete como um tipo especial de Memória Rápida, que permite a leitura ou escrita de mais de uma palavra simultaeamete Assim, as etradas origiais A select, B select e Destiatio select se toram três edereços, como mostrados esta figura A address acessa uma palavra a ser lida em A data, B address acessa uma seguda palavra a ser lida em B data, e D address acessa uma palavra proveiete de D data a ser escrita (todos estes acessos ocorrem o mesmo ciclo de clock) A etrada Write é equivalete ao Eable aterior Quado Write =, o coteúdo dos registradores ão se altera Na Fuctio Uit, a etrada FS icorpora G, H e MF select

18 Register File Origial Supoha um Register File com 6 registradores de bits. Para selecioar estes registradores, seria ecessário um 6x de bits. Na prática, este seria muito ieficiete: haveria a ecessidade de 6x=5 coexões para ligar os registradores ao! (Problema de Cogestioameto) Além disso, as etradas de dados para todos os 6 registradores criaria um problema de faout, com corretes muito pequeas para cotrolar os trasistores! Sem mecioar que coexões com baixas corretes toram os dispositivos letos, gerado problemas de atrasos! Os problemas de cogestioameto, faout e atrasos descritos acima podem ser cotorados, cosideradose que os registradores ão são todos escritos ou lidos simultaeamete. Digital Desig Frak Vahid

19 Register File Aperfeiçoado Um cojuto de registradores pode ser implemetados de forma semelhate a uma memória, com a mesma rapidez, e acesso aos dados através de edereçameto As coexões iteras etre os compoetes são cuidadosamete plaejadas de modo a cotorar os problemas de cogestioameto e faout Para escrever um dado um registrador do Register File, bastaria colocar o dado em W_data, idicar o edereço de um dos 6 registradores de 6 bits em W_addr e, o ciclo de clock desejado, habilitar a escrita com uma autorização em W_e O cojuto de etradas W_data, W_addr, e W_e é cohecido como Porta de Escrita do Register File (Write Port) A operação de Leitura é similar à de Escrita Digital Desig Frak Vahid

20 Register File Implemetado Quado W_e=, ehum registrador poderá ser escrito porque as saídas do decodificador permaecem em Quado W_e=, o decodificador decodifica o edereço em W_addr e coloca o load de um dos registradores apeas. No próximo ciclo de clock, este registrador vai ser escrito com o valor de W_data Para resolver o problema de faout são utilizados drivers (ou buffers), cuja etrada é semelhate à saída, porém com um sial de saída mais forte (correte maior) Para substituir os es, são usados three-state drivers (ou three-state buffers) Digital Desig Frak Vahid

21 Códigos FS da Uidade Fucioal Para especificar todas as operações da Fuctio Uit, os códigos de MF select, G select e H select estão redefiidos os códigos da etrada FS Os códigos do MF Select estão a colua mais à esquerda de FS Os códigos do G Select estão as coluas a 5 de FS (com MF = ) Os códigos do H Select estão as coluas e de FS (com MF = ) Se MF Select =, etão o código de G select determia a fução a saída da Fuctio Uit Se MF Select =, etão o código de H select determia a fução a saída da Fuctio Uit Os códigos ressaltados em azul são os que determiam as saídas da Fuctio Uit

22 Palavra de Cotrole (Cotrol Word) As variáveis de seleção do datapath cotrolam as microoperações executadas em cada pulso de clock, ou seja, elas cotrolam o edereço da leitura de dados dos registradores, a fução executada pela Fuctio Uit, e os dados carregados o Register File, assim como a seleção dos dados exteros O Register File da ilustração ao lado possui oito registradores, R a R7 O Datapath possui 7 etradas de cotrole biárias que, combiadas, formam uma Palavra de Cotrole Uma Palavra de Cotrole é ormalmete costituída por vários campos (este caso específico, sete campos), cada um deles idetificado por um par de letras Os três campos dos registradores possuem três bits cada (ecessários para selecioar um dos oito registradores utilizados ora como registradores de origem, ora como de destio do resultado das micro-operações) Os cico bits do campo FS cotrolam as 5 operações da FU Esta Palavra de Cotrole de 7 bits, quado aplicada às etradas de cotrole, especifica uma micro-operação particular

23 Codificação da Palavra de Cotrole Esta tabela especifica os códigos de cotrole associados a cada uma das fuções do Datapath Para cada campo são dados um ome simbólico e um código biário, associados a uma fução Os campos DA, AA e BA possuem códigos biários equivaletes ao valor decimal do registrador escolhido O campo RW correspode à fução que autoriza (Write) ou previe (No Write) a escrita a um dos registradores

24 Micro-operação com Notação Simbólica e Biária A Palavra de Cotrole para uma micro-operação pode ser obtida com a especificação do valor de cada uma das variáveis de cotrole da Notação Simbólica Por ex., a subtração R R + R +, especifica R para a Etrada A e R para a Etrada B A operação evolvida é F = A + B + e o registrador de destio é R, implicado RW = Write A Palavra de Cotrole para a micro-operação de subtração deve ser especificada pelos seus sete campos Para esta micro-operação de subtração, a Palavra de Cotrole deve ser

25 Simulação de Sequêcia de Micro-operações Nesta simulação, que correspode à sequêcia de micro-operações da tabela aterior, o coteúdo de cada registrador de 8 bits é iicialmete carregado com um valor igual ao seu úmero de idetificação (ex. R5 cotém ou 5 6 ) 6 Assim, o primeiro pulso do clock é realizada a operação R R R (= ), com o resultado aparecedo em R o próximo pulso de clock como FF 6, ou seja, e o flag do sial (terceiro bit do Status bits - Z, N, C, V) igual a ( ) Obs. - a otação Complemeto de, correspode a (-)

26 A taxa de execução de micro-operações o Datapath pode ser aumetada com uma técica cohecida como Pipelie Para a realização de uma micro-operação completa são ecessários 4s (+) para ler os dois operados do register file, outros 4s para executar a operação a fuctio uit e, fialmete, mais 4s (+) para escrever o resultado o register file (icluido o atraso o D) Portato, o atraso total (período) para realizar uma micro-operação é de s, o que sigifica uma taxa máxima de execução (frequêcia) de f = 8. MHz (/s) Se o atraso de s do Datapath for dividido em três estágios por registradores adicioais, sempre que cada um destes estágios termiar suas operações, ovos dados poderão ser eviados. Estágio : Busca do Operado (OF), Estágio : Execução (EX) e Estágio : Escrita (WB). Agora f = MHz (/5s) Pipelied Datapath

27 Aalogia com uma Liha de Motagem Numa liha de motagem, o primeiro operário pega algus compoetes do armário e os coloca uma correia O segudo operário mota estes compoetes Uma terceira fucioária pega os compoetes motados uma peça e a coloca uma badeja para operações subsequetes de motagem Cada operário precisa realizar apeas uma tarefa simples Tão logo cada um deles termie sua parte, a correia pode ser avaçada para que as mesmas operações sejam repetidas em ovos ites Imagie uma liha de motagem de estágio simples com apeas uma pessoa executado três operações em um miuto (cada uma das operações toma s). Em outras palavras, a cada miuto uma peça é produzida Supoha agora uma liha de motagem com três estágios. Como um operação de motagem é completada a cada s o último estágio da liha, a cada miuto três peças são produzidas! Embora ambas as lihas de motagem precisem de um miuto para completar uma peça, a liha de motagem com três estágios completa um úmero de peças três vezes maior! Há um aumeto o throughput!

28 Diagrama de Blocos do Pipelied Datapath No Datapath, o primeiro estágio ou a primeira microoperação cosiste em Buscar o Operado OF (em iglês, Operad Fetch) o Register File A seguda micro-operação correspode à Execução EX (em iglês, Execute) de uma operação a Fuctio Uit A terceira micro-operação cosiste em Escrever ou Gravar WB (em iglês, Write-Back) o resultado da operação o Register File A aalogia aterior sugere que se for possível ajustar uma estrutura com três estágios correspodetes aos avaços periódicos da correia, etão serão processadas três vezes mais micro-operações o mesmo itervalo de tempo gasto pelo Datapapth covecioal A estrutura resultate é chamada Pipelie e os registradores etre os estágios são chamados de Pipelie Platforms A vatagem do Pipelied Datapath é o throughput maior e o custo adicioal são os Pipelie Platforms

29 Padrão de Execução do Pipelied Datapath No período de clock, a micro-operação está o estágio OF No período de clock, a micro-operação está o estágio EX, e a micro-operação está o estágio OF No período de clock, a micro-operação está o estágio WB, a micro-operação, o estágio EX, e a microoperação, o estágio OF Nos dois primeiros períodos, em todos os estágios do pipelie estão ativos, porém os próximos cico períodos (em azul), todos os estágios do pipelie estão ativos