Computer Architecture

Transcrição

1 معماری کامپيوتر Computer Architecture مقدمه جلسه اول انتقال ثباتھا دانشگاه صنعتی ھمدان پاييز 1389

2 مطالب اين جلسه سرفصل درس منابع و مراجع ارزيابی و مقررات درس مقدمه ای بر معماری کامپيوتر ھدف تاريخچه نمايش داده ھا- سيستم دوديی انتقال ثباتھا و ريز عملھا زبان انتقال ثبات (RTL) انتقال ثبات گذرگاھھا واحد حساب و منطق ريزعملھای حسابی منطقی شيفت

3 سرفصل درس

4

5 منابع و مراجع

6 منابع و مراجع

7 منابع و مراجع

8 6 6" $

9 منابع و مراجع

10 ارزيابی درس امتحان ميان ترم %35 امتحان پايان ترم %45 پروژه طراحی و شبيه سازی مدار %15 تکاليف و فعاليت کالسی %10 سايت درس ادرس تماس و ارسال تکاليف

11 تاريخچه معماری کامپيوتر و تعريف معماری معماری کامپيوتر در ارتباط با خواصی از کامپيوتر است که از رای برنامه نويس قابل ديدن است: مجموعه دستورات نحوه ذخيره اعداد تکنيکھای ادرسدھی حافظه مکانيسم ورودی و خروجی سازمان کامپيوتر يا در ارتباط با واحدھای عملياتی و نحوه ارتباط انھا است. با سختافزار در ارتباط است که از ديد برنامه نويس پنھان است: سيگنالھای کنترل ارتباط بين دستگاھھای جانبی و حافظه اجزاء مختلف سخت فزاری را چگونه وصل کنيم تا يک کامپيوتر ساخته شود طراحی کامپيوتر چگونه سخت افزار کامپيوتر را توسعه بدھيم تا مجموعه ای از ويژگيھای مورد نظر را برآورده کند.

12 ھدف از مطالعه معماری کامپيوتر اشنايی با ساختار کامپيوترھا جھت انتخاب سيستم مناسب برای سازمانھا اشنايی با سيستمھای که در انھا پردازنده بکار رفته و مديريت و برنامه نويسی انھا اشنايی با سازمان و معماری کامپيوتر پيشنياز دروس ديگر مانند سيستم عامل و... است

13 مھندسی و معماری کامپيوتر کجاست Application (Netscape) Software Hardware Compiler Assembler Processor Memory Operating System (Windows 2K) I/O system Instruction Set Architecture 152 Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors *ھماھنگی بسياری از اليه ھای انتزاعی

14 تاريخچه ENIAC نفر کارمند- 30 تن وزن متر مربع فضا المپ- مصرف برق يک شھر Von neuman 1946

15 نسلھای کامپيوترھا

16 پيچيدگی ريزپردازنده 2 برابر ترانزيستور/تراشه ھر 1.5 2X transistors/chip Every 1.5 to 2.0 years تا 2 سال قانون مور به موسوم

17

18 سيستم دودويی مبنای دو مبنای ھست و مبنای شانزده کدھای دودويی مکمل دو کدھای اشکارسازی خطا رقم نقلی و سر ريزی نمايش مميز شناور

19 انتقال ثبات و ريزعمل ھا

20

21 زبان انتقال ) language RTL ( Register Transfer ثبات مشخص برای تعيين کردن شوند : يک کامپيوتر بايد موارد زير مجموعه رجيسترھای آن و توانايی ھای ھر رجيستر دنباله ريز عملھای قابل اجرا بر روی اطالعات ذخيره شده در ھر رجيستر شرط کنترلی که باعث انجام مجموعه ای متوالی از ميکرواپريشن ھا می شود. o o o زبان انتقال رجيستر : RTL برای سھولت در توصيف دنباله ای از عملوندھا و نقل و انتقال داده بين رجيسترھا از سيستم نمايش ويژه ای به اسم RTL استفاده ميشود. استفاده از RTL سبب سھولت توصيف عملکرد کامپيوتر و راحتی کار طراحی آن ميگردد.

22 .. :...

23 اسامی رجيسترھا: اسامی رجيسترھا با حروف بزرگ که معموال ساده شده کار رجيستر است مشخص ميشوند.نظير: MAR=Memory Address Register PC= Program Counter IR= Instruction Register (رجيستر شماره R1=( 1 PC نمايش رجيسترھا : برای نمايش يک رجيستر در وسط آن نوشته ميشود از يک مستطيل استفاده ميشود رجيستر نام که PC(H) PC(H)= PC(8-15) PC(L)= PC( 0-7 ) 7 (سمت چپ PC(L) 0 نمايش بيت ھا : بيت ھای يک رجيستر n بيتی از 0 (سمت راست) تا 1-n ترين بيت) شماره گذاری ميشوند گاھی يک رجيستر 16 بيتی به 2 بايت کم ارزش و پر ارزش بصورت زير تقسيم ميشود از پرانتز و شماره بر ای مشخص کردن يک قسمت از رجيستر استفاده ميشود

24 ھا انتقال ديگری به رجيستر يک اطالعات بصورت R2 ميشود: داده نمايش زير R1 عبارت فوق نشان دھنده انتقال محتويات رجيستر R1 به رجيستر R2 است R1 بدون تغييرباقی می ماند ولی محتوی R2 برابر با محتوی R1 ميشود..محتوی (Parallel Load داشته باشد. الزمه سخت افزاری انتقال : 1- موجود بودن مسيری از خروجی R1 به R2 2- رجيسترR2 بايد قابليت بارکردن موازی )

25 : شرط انتقال گاھی اوقات انتقال فقط بايد در صورت تحقق يک شرط کنترلی خاص انجام شود نظير عبارت : تابع کنترلی : يک عبارت بولی است که مقدار صفر يا يک دارد اين تابع بصورت زير در عبارت ميکرواپريشن گنجانيده ميشود If (P=1) ( then (R2 R1) P: R2 R1 Control Circuit P Load n R2 R1 CLK

26 زمانبندی Clk Load (P) t t+1 مدار كنترل در زمان t سيگنال P را فعال ميكند لذا وقتي كالك 1+t به وقوع ميپيوندد با P فعال روبرو شده و باعث انتقال R1 به R2 ميشود. افتد می اتقاق زمان اين در انتقال عمل اين انتقال در لبه كالك 1+t اتفاق مي افتد. اگر P بيش از يك Clk عمل انتقال در ساير كالك ھا ھم اتفاق خواھد افتاد. فعال باشد فعال بودن به لبه باعث ميشود تا بتوان عمل را در يك كالك پالس انجام داد. T: R2 R1 R1 R2

27 . ( ) P: R3 R5, MAR IR R3 R5 P=1. MAR IR

28 مثال MAR, R2 R2(0-7), R2(L) R2 R1 P: A B, B A () :

29 . n(n-1) n. O(n 2 ) :. bus

30 انتقال از طريق گذرگاه (BUS) در يک کامپيوتر تعداد زيادی رجيستر وجود دارد که ھمه آنھا بايد به نوعی به ھم متصل شوند برای سھولت در اتصال از Bus استفاده می شود. Bus به مجموعه ای از خطوط مشترک اتالق ميشود که با داشتن n خط می توانند اطالعات رجيسترھای n بيتی را به طور ھمزمان منتقل کنند. : برای پياده سازی o مالتی پلکسرھا o گيت ھای با خروجی 3 حالته Bus از دو طريق استفاده می شود

31 با استفاده ازMUX Bus A 4x1 MUX B C D S1 S0 4x1 MUX 4x1 MUX 4x1 MUX S1 S0 4 line Bus S0 S Reg Selected A B C D (... bus تعداد MUXھا : به تعداد بيتھای رجيسترھا ) 0 Mux تعداد ورودی MUX ھا : به تعداد رجيسترھا بيت صفر تمام رجيسترھا را روی قرار ميدھد و

32 معموال ورودی ھمه رجيسترھای مقصد به BUS متصل ميباشند. زا اينرو کافيست S 1 S 0 بنحوی انتخاب شود که خروجی رجيستر روی BUS قرار گيرد.ھمزمان ورودی Load رجيستر مقصد نيز فعال شود تا داده از مبدا به مقصد انتقال يابد.برای مثال برای انتقال رجيستر A به رجيستر B از طريق باس به ترتيب زير عمل ميشود: BUS A در صورتی که وجود BUS بصورت ساده می نويسيم را بصورت ضمنی قبول کنيم B A, B Bus

33 TriState BUS: پياده سازی Bus با استفاده از گيتھای 3 حالته گيت سه حالته : مداری است که خروجی آن عالوه بر 2 حالت صفر و يک می تواند دروضعيت سومی قرار گيرد که اصطالحا حالت امپدانس باال ناميده شده و در اين حالت خروجی گيت بصورت مدار باز عمل ميکند يعنی نه به صفر وصل است نه به يک. Input A Output Y يك بافر 3 حالته و عملكرد آن Control C Y=A c=1 Y=High Impedance c=ø

34 TriState BUS: پياده سازی Bus با استفاده از گيتھای 3 حالته S0 S1 Enable A0 B0 C0 D0 2x4 Decoder Bus line for bit 0 استفاده از گيتھای سه حالته سبب ميشود تا بتوان يک Bus را براحتی از طريق اتصال خروجی رجيسترھای سه حالته و يا استفاده از يک بافر سه حالته بوجود آورد فقط بايد مواظب بود که در ھر لحظه فقط يکی از گيت ھای سه حالته فعال باشد اين اطمينان با استفاده از يک Decoder حاصل ميشود

35 ريزعملھا انواع Operation) (Micro ريزعملھای ھای متداول پياده سازی شده در کامپيوتر ھای ديجيتال عبارتند از: انتقال ثبات : اطالعات را از يک ثبات به ديگری منتقل می کنند. محاسباتی : عمليات محاسباتی را روی داده ذخيره شده در ثباتھا انجام می دھند. منطقی : عمليات دستکاری روی بيت ھای ثباتھا را انجام می دھد. : Shift عمل شيفت را روی داده ذخيره شده روی ثباتھا انجام می دھند

36 M.... (AR MAR) Memory Address Register MAR. AR Memory unit Read Write Data out Data in M

37 : R1 M[MAR] :. MAR. Read (= 1).. R1

38 : M[MAR] R1 :. MAR. write (= 1). R1.

39 A B AR DR(AD) A constant ABUS R1, R2 ABUS AR DR M[R] M DR M M DR A B AR DR AD A R2 R1 R. M[AR] DR AR AR DR

40 : R3 R1 + R2 R3 R1 - R2 R2 R2 R2 R2 + 1 R3 R1 + R2 + 1 R1 R1 + 1 R1 R1-1 R2 R2

41 جمع کننده باينری برای اجرای ريزعملوند جمع نياز به مداری است که عمل جمع را روی رجيسترھا انجام دھد.اين مداراز n مدار تمام جمع کننده FA ساخته می شود. ورودی به اين مدار ھريک از رجيسترھای R1 و R2 و خروجی می تواند به ھريک از آنھا و يا رجيستر ديگری منتقل شود. A3 A2 A1 B3 B2 B1 B0 A0 M C4 FA C3 FA C2 FA C1 FA C0 S3 S2 S1 S0 M=0 S=A+B M=Z S=A-B

42 Cin S1 S0 A0 B0 A1 B1 A2 B2 A3 B3 0 1 S1 S0 0 4x1 1 2 MUX 3 S1 S0 0 4x1 1 2 MUX 3 S1 S x1 MUX S1 S0 0 4x1 1 2 MUX 3 X0 Y0 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 C0 FA C1 C1 FA C2 C2 FA C3 C3 FA C4 D0 D1 D2 D3 Cout S1 S0 Cin Y Output B D = A + B Add B D = A + B + 1 Add with carry B D = A + B Subtract with borrow B D = A + B + 1 Subtract D = A A Transfer A D = A + 1 A Increment A D = A - 1 A Decrement A D = A A Transfer A

43 . bit- not. wise. bit ). (manipulations 16. A B F 0 F 1 F 2 F 13 F 14 F

44 x y Boolean Micro- Operations Function F0 = 0 F 0 Clear F1 = xy F A B AND F2 = xy' F A B F3 = x F A Transfer A F4 = x'y F A B F5 = y F B Transfer B F6 = x y F A B Exclusive-OR F7 = x + y F A B OR F8 = (x + y)' F (A B) NOR F9 = (x y)' F (A B) Exclusive-NOR F10 = y' F B Complement B F11 = x + y' F A B F12 = x' F A Complement A F13 = x' + y F A B F14 = (xy)' F (A B) NAND F15 = 1 F all 1's Set to all 1's. 2 2 n n Name

45 پياده سازی سخت افزاری ريز عملھای منطقی S1 S0 Ai Bi 0 1 S0 MUX S1 Ei S1 S0 OutPut E = A B E = A B E = A B E = A 2 3

46 ... A B. A يک کردن انتخابي مکمل کردن انتخابي پاک کردن انتخابي ماسک (حذف) پاک کردن درج کردن مقايسه A A + B A A B A A B A A B A A B A (A B) + C A A B Selective-set Selective-complement Selective-clear Mask (Delete) Clear Insert Compare...

47 A B. (A A + B) A t B A t+1 B. A. A

48 A B. (A A B) A t B A t B A. (NOT) A.

49 A B. ( ) (A A B ) A t B A t A B. A.

50 A B. ( ) (A A B) A t B A t A B. A.

51 A B A. (A A B) A t B A t

52 :. : Serial input Serial عمليات شيفت به چپ input

53 0. : : : shl shr : o R2 shr R2 R3 shl R3o 0

54 . : : : cil cir : R2 cir R2 o R3 cil R3 o

55 ( ). sign bit : sign bit : 0

56 . (overflow) sign bit 0 V. : ashl ashr : o R2 ashr R2 R3 ashl R3 o

57 Serial input (I R ) ( ) 0 Select ( ) 1 S 0 1 MUX H0 A0 A1 A2 S 0 1 MUX H1 A3 S 0 1 MUX H2 S 0 1 MUX H3 Serial input (I L )

58 ALU به جای اينکه ھر رجيستر جداگانه عمليات را انجام دھد ميتوان از يک واحد محاسباتی منطقی مستقل برای انجام عمليات بر روی رجيسترھای مختلف استفاده کرد. اين واحد ALU ناميده ميشود. برای انجام يک ريز عمل خروجی رجيستر مبدا به ورودی ALU متصل شده و خروجی ALU به ورودی رجيستر مقصد متصل ميشود. مدار ترکيبی ALU عمل مورد نظر را که توسط وروديھای کنترل مشخص ميشود انجام ميدھد. عمل شيفت ميتواند توسط ALU يا به صورت مجزا توسط واحد ديگری انجام شود.

59 S3 S2 S1 S0 Bi Ai Ai-1 Ai+1 Ci واحد حسابي 0 C 4 x 1 واحد منطقي Di Select i+1 F 1 i مالتي پلکسر 2 3 E i shr shl S3 S2 S1 S0 Cin عمليات توضيح F = A Transfer A F = A + 1 Increment A F = A + B Addition F = A + B + 1 Add with carry F = A + B Subtract with borrow F = A + B + 1 Subtraction F = A - 1 Decrement A F = A TransferA X F = A B AND X F = A B OR X F = A B XOR X F = A Complement A 1 0 X X X F = shr A Shift right A into F 1 1 X X X F = shl A Shift left A into F