Arquitectura de Computadores LEEC/MEEC (2006/07 2º Sem.)

Transcrição

1 LEEC/MEEC (2006/07 2º Sem.) Nuno Cavaco Gomes Horta Universidade Técnica de Lisboa / Instituto Superior Técnico

2 Sumário Introdução Unidade de Controlo Conjunto de Instruções Unidade Central de Processamento (CPU) Unidade de Entrada/Saída (I/O) Unidade de Memória Perspectiva Evolutiva das Arquitecturas de Computadores 2

3 3

4 Sistemas Digitais Complexos: + Unidade de Controlo (Datapath): Módulo responsável pela execução das operações de processamento de dados. Unidade de Controlo: Módulo responsável pelo controlo da sequência de operações a executar na Datapath para implementação de uma tarefa. 4

5 Datapath: Caracteriza-se pelo conjunto de registos e pelo conjunto de operações realizado sobre os dados armazenados nos registos. Operações Elementares sobre Registos: Shift (Deslocamento), Clear (Apagar), Load (Carregamento), Incrementar, Decrementar, Somar, Subtrair, etc. Microoperações (Aritméticas, Lógicas, Deslocamento): Operações elementares aplicadas sobre os dados em registos. Unidade de Controlo: Fornece os sinais que permitem sequenciar as microoperações de um modo definido, e.g., sequência do conjunto de operações para realizar uma multiplicação. 5

6 Datapath: Caracteriza-se pelo conjunto de registos (Unidade de Armazenamento) e pelo conjunto de operações (Unidade Funcional) realizado sobre os dados armazenados nesses registos. 6

7 Datapath (Exemplo) Unidade de Armazenamento Unidade Funcional ALU: Unidade Logica e Aritmética Shifter: Unidade de Deslocamento (Exemplo de Operação) Entradas de Controlo (da U. de Controlo) Selecção de A Selecção de B Selecção de G Selecção de MB Selecção de MF Selecção de MD Selecção do Destino Carregamento do Resultado Operação relizada num 1 ciclo de relógio (Cálculo e Carregamento) 7

8 Microprocessadores Exemplo de Operação: 8

9 Microprocessadores Unidade de Armazenamento: 9

10 Registo: Elemento básico de memória que permite armazenar um conjunto de N bits (dimensão do registo). 10

11 Operação de Transferência de Dados entre 2 Registos: Controlo : Microoperação K1 : R2 R1 R1 R2 CP_H M1[Load] C2 K1 M1[Load] C2 D0 1, 2D 1, 2D Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 11

12 Simbologia: (Transferências de Registos)? 12

13 Operações de Transferência entre Registos: (Multiplexagem) K1 : R0 R1, K1K2 : R0 R

14 Operações de Transferência entre Registos: (BUS) Multiplexers Dedicados BUS Único N. Horta, Multiplexers IST - UTL Dedicados: Arquitectura 9 portas lógicas de Computadores (3x(2AND+1OR)), 6 linhas de entrada. BUS: 4 portas lógicas (1x(3AND+1OR)), 3 linhas de entrada. 14

15 Operações de Transferência entre Registos: (BUS) Exemplo: O número de registos fonte em transferências simultâneas condiciona o número mínimo de BUSES no sistema BUS Único 15

16 Operações de Transferência entre Registos: (BUS Tri-State)? BUS Único BUS Three-State 16

17 READ : DR WRITE : M Exemplos: Operações de Transferência entre Registos: (BUS Endereços e Dados + Memória) M [ AR] [ AR] DR [ A1] 2 WRITE : M D ABD Control: 01 DBSD Control: 10 DBDD Control: 11 [ 2] READ : D1 M A ABD Control: 10 DBSD Control: 11 DBDD Control: 01 17

18 Datapath (Exemplo) Unidade de Armazenamento Unidade Funcional ALU: Unidade Logica e Aritmética Shifter: Unidade de Deslocamento (Exemplo de Operação) Entradas de Controlo (da U. de Controlo) Selecção de A Selecção de B Selecção de G Selecção de MB Selecção de MF Selecção de MD Selecção do Destino Carregamento do Resultado Operação relizada num 1 ciclo de relógio (Cálculo e Carregamento) 18

19 Microprocessadores Exemplo de Operação: 19

20 Microprocessadores Unidade Funcional: Unidade Aritmética e Lógica (ALU) 20

21 Microoperações: (Aritméticas)? 21

22 Microoperações: (Lógicas) 22

23 Microoperações: (Deslocamento)? 23

24 ALU: Unidade Lógica e Aritmética 24

25 ALU: Circuito Aritmético (Exemplo) 25

26 ALU: Circuito Aritmético? X Y i C i 0 = = A i i B S = C in 0 + B S i 1 26

27 ALU: Circuito Aritmético (Exemplo) Soma Subtracção Incremento Decremento Transferência...? 27

28 ALU: Circuito Lógico (Exemplo) AND OR XOR NOT? 28

29 ALU: Circuitos Aritmético e Lógico (Exemplo) 29

30 Microprocessadores Unidade Funcional: Unidade de Deslocamento 30

31 Unidade de Deslocamento: Circuito (Exemplo1) 31

32 Unidade de Deslocamento: Circuito (Exemplo2) 32

33 Datapath: Representação Hierárquica Diagrama de Blocos: Unidade de Armazenamento Unidade Funcional 33

34 Datapath: Representação Hierárquica Diagrama de Blocos: Unidade de Armazenamento Unidade Funcional 34

35 Datapath: Palavra de Controlo Palavra de Controlo: Conjunto de bits correspondente às variáveis de controlo que permitem seleccionar as microoperações. AA Selecção do Registo A BA Selecção do Registo B DA Selecção do R. de Destino MB Selecção do Operando B FS Selecção da Função na U. Funcional MD Sel. dos Dados para R. de Destino RW - Carregamento 35

36 Datapath: Codificação da Palavra de Controlo Nota: o número de palavras de controlo, com significado no presente caso, não é 2^17=131072, mas apenas 61440, justifique! 36

37 Datapath: Palavra de Controlo (Exemplo de Microoperações) 37

38 Datapath: Palavra de Controlo (Exemplo de Microoperações - Codificação)? 38

39 Datapath: Simulação da Execução de uma Sequência de Microoperações (Exemplo) Arquitectura de Computadores 39

40 Unidade de Processamento: Arquitectura de Computadores Microprocessadores Temporizações Fmax = 1/Tmin Fmax Frequência máxima de funcionamento Tmin Período mínimo que respeita todos as restrições temporais impostas por cada componente Fmax = 1/(Tua+Tuf+Tlc) Tua Restrição temporal imposta pela UA Tuf Restrição temporal imposta pela UF Tlc Restrição temporal impostas pela lógica combinatória adicional 40

41 UP: Unidade de Armazenamento Arquitectura de Computadores Microprocessadores Temporizações Tua Restrição temporal imposta pela UA Não considerando, para já, a geração dos sinais de controlo, a contribuição da UA para a definição do período do sinal de relógio corresponde, por um lado, ao caminho dos dados que inclui o tempo de propagação nos registos e o tempo de propagação nos MUXs e, por outro lado, ao caminho dos sinais de controlo correspondentes à geração do sinal de load. Estes 2 caminhos são concorrentes na determinação do período máximo devendo ser considerada a situação mais desfavorável. 41

42 UP: Unidade Funcional (1) Unidade Aritmética Arquitectura de Computadores Microprocessadores Temporizações Tuf Restrição temporal imposta pela UF Neste caso há que considerar a situação mais desfavorável para a propagação do sinal ao nivel dos vários circuitos combinatórios: Unidade Aritmética, Unidade Lógica e Unidade de Deslocamento. Na Unidade Aritmética há que ter em conta a propagação do Carry ao longo do somador. 42

43 UP: Unidade Funcional (2) Unidade Lógica Arquitectura de Computadores Microprocessadores Temporizações Na Unidade Lógica há que ter em conta a diferente complexidade das várias portas lógicas envolvidas. Considerando o bloco U. Aritmetica e Lógica deve, neste caso, ser considerado o maior dos atrasos associados a estes blocos e adicionar o atraso associado ao MUX de interligação. 43

44 UP: Unidade Funcional (2) Unidade de Deslocamento Arquitectura de Computadores Microprocessadores Temporizações Na U. De Deslocamento há que considerar o tempo de propagação atarvés dos MUXs (1 nível de MUXs) Em conjugação com Uarit. e Ulog deve ser considerado ainda o tempo de propagação no associado ao MUX de interligação. 44

45 UP: Projecto no Xilinx (Especificação e Hierarquia) UP de 4 bits UA com 4 Registos de 4 bits Escrita possível em apenas um registo por cada ciclo Leitura de qualquer dos registos para obter operando A e B UF composta por UArit, ULog, UDesl Operações: A, A-B, A+B, A+1, NAND(A,B), NOR(A,B), SR(B), SL(B) Bits de Estado (Flags): C,V,N,Z MUX de interligação Permitir a selecção de uma constante em alternativa ao conteúdo do registo para o operando B. Permitir a selecção de uma palavra de memória em alternativa à saída da UF par escrita na UA. Unidade de Processamento Unidade de Armazenamento Unidade Funcional MUX Interligação Registo MUX Selecção Descodificador Unidade Aritmética Unidade Lógica Unidade de Deslocamento.. 45

46 Microprocessadores UP: Projecto no Xilinx (Esquemático de Topo) UP de 4 bits UA com 4 Registos de 4 bits Escrita possível em apenas um registo por cada ciclo Leitura de qualquer dos registos para obter operando A e B UF composta por UArit, ULog, UDesl Operações: A, A-B, A+B, A+1, NAND(A,B), NOR(A,B), SR(B), SL(B) Bits de Estado (Flags): C,V,N,Z MUX de interligação Permitir a selecção de uma constante em alternativa ao conteúdo do registo para o operando B. Permitir a selecção de uma palavra de memória em alternativa à saída da UF par escrita na UA. 46

47 UP: Projecto no Xilinx Arquitectura de Computadores Microprocessadores (UA Esquemático e Teste) 47

48 UP: Projecto no Xilinx Arquitectura de Computadores Microprocessadores (UF Esquemático e Teste) 48

49 Datapath: Arquitectura Convencional vs Arquitectura Pipeline Convencional Unidades a funcionar sequencialmente. Pipeline Unidades a funcionar em simultaneo. OF Operand Fetch EX Execute WB Write Back Pipeline oferece maior rapidez mas obriga a hardware adicional, 3 estruturas de Registos. 49

50 Datapath: Execução de Microoperações na Arquitectura Pipeline Arquitectura de Computadores Execução Convencional: 7 x 12 = 84 ns Execução Pipelined: 9 x 5 =45 ns!! 50

51 BIBLIOGRAFIA [1] M. Morris Mano, Charles R. Kime, Logic and Computer Design Fundamentals, Prentice-Hall International, Inc. (Capítulo 7) 51