Implementação da UCP. Construção do caminho de dados Controle Implementação monociclo. Organização de Computadores

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Luiz Fernando Pereira Cortês
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1 Implementação da UCP Construção do caminho de dados Controle Implementação monociclo

2 Conceitos Gerais para Implementação do Processador Conceito de caminho de dados e controle Caminho dos bits de instrução e dados Utilização de clock, lógica combinacional e seqüencial Começa uma implementação simples e iterativamente vai melhorando

3 Performance Medida de performance baseada em: número de instruções período do clock ciclos de clock por instrução (CPI) O primeiro é um fator do programa, mas os dois últimos são baseados na implementação do processador

4 Subconjunto de instruções Para simplificar o estudo do projeto do processador, o foco será dado em um subconjunto de instruções do MIPS: Memória: lw e sw Aritmética: add e addi Desvio: beq O método de implementação das outras instruções ocorre naturalmente

5 Revisão do Formato das Instruções R-FORMAT add rega regb destreg rd op rega regb op: código de operação rega: registrador com primeiro operando fonte regb: registrador com segundo operando fonte destreg: registrador que guarda resultado da operação 0 destreg 7 bits bits bits bits 1 bits bits

6 Revisão do Formato das Instruções I-Format lw rega regb imm beq rega regb imm addi rega regb imm Desvio utiliza endereço PC relativo (PC imm) op rega regb imm 7 bits bits bits bits 16 bits

7 Função básica da CPU Buscar uma instrução na memória Interpretar qual operação é representada pela instrução Trazer (se for o caso) os operandos para a CPU Executar a operação Armazenar (se for o caso) os dados de saída Repetir o processo com uma nova instrução etapas do Ciclo de Instrução

8 Visão Abstrata da Implementação Os dados fluem entre a memória e as unidades funcionais Dados PC Endereço Instrução Reg # Banco de Registradores UAL Endereço Reg # Reg # Memória de Dados Dados

9 Projeto Lógico Duas definições importantes Combinacional - saída depende somente das entradas Exemplo: ALU Seqüencial: elementos contem informações de estado Exemplo: Registradores

10 Elementos Combinacionais Select Somador Soma A B M u x C Controle da UAL UAL Zero Resultado da UAL

11 Banco de Registradores Contém registradores Dois barramentos de bits de saída Dado e Dado lido #2 Um barramento de bits de entrada Dado a ser escrito Registrador 0 tem o valor 0 Registrador selecionado por lido #2 Número dos registradores Dado escrito seleciona registro que recebe Dado a ser escrito quando EscReg=1 lido #2 escrito Dado de escrita EscReg Dado Dado lido #2 Dados

12 Memória Um barramento de entrada: Dado a ser escrito Um barramento de saída: Dado lido Seleção de endereço Endereço seleciona a palavra a ser colocada em Dado lido Para escrever no endereço, seta EscMem para 1 Para ler do endereço, seta LerMem para 1 EscMem Endereço Dado a ser escrito LerMem Dado lido

13 Passos do Projeto De acordo com a arquitetura do conjunto de instruções, define-se uma estrutura organizacional macro (número de unidades funcionais, por exemplo) Essa estrutura é refinada para definir os componentes do caminho de dados, sua interconexão e pontos de controle Estrutura de controle é definida O projeto do caminho de dados e controle é refinado para projeto físico e validação funcional

14 Busca da Instrução Busca a instrução na memória, cujo endereço está no contador de programa PC Incrementa o contador de programa PC de 1 PC Endereço de leitura 1 Somador Instrução Memória de Instruções

15 Instrução de Soma add rega regb destreg Mem[PC] Obtém instrução da memória R[destreg] R[regA] + R[regB] Executa operação de soma PC PC + 1 Calcula próximo endereço

16 Caminho de Dados para Instruções do tipo R R[destreg] R[regA] op R[regB] Controle da UAL e de EscReg baseado na instrução decodificada, lido #2, escrito são rega, regb, destreg Registradores lido #2 escrito Dado de escrita EscReg Dado Dado lido #2 Operação da UAL Zero UAL Resultado da UAL

17 Instrução de Carga lw rega regb imm mem[pc] Busca instrução na memória End R[regA]+SignExt(imm) Calcula o endereço da memória R[regB] Mem[End] Carrega os dados no registrador PC PC+1 Calcula o próximo endereço 7 bits 0 bits bits bits 16 bits op rega regb imediato

18 Caminho de Dados para Instrução de Carga Registradores Operação da UAL Instrução 16 Dado lido #2 escrito Dado de escrita Dado lido #2 EscRegExtensão 16 de sinal Resultado da UAL UAL Zero EscMem Memória de dados Endereço Dado a ser escrito Dado lido LerMem EscReg

19 Instrução de Armazenamento sw rega regb imm mem[pc] Busca instrução na memória End R[regA]+SignExt(imm) Calcula o endereço da memória Mem[End] R[regB] Carrega os dados na memória PC PC+1 Calcula o próximo endereço 7 bits 0 bits bits bits 16 bits op rega regb imediato

20 Caminho de Dados para Instrução de Armazenamento Instrução Registradores Dado lido #2 Dado escrito Dado de lido #2 escrita EscReg 1 6 Extensão de sinal Operação da UAL Resultado da UAL UAL Zero EscMem Memória de dados Endereço Dado a ser escrito Dado lido LerMem

21 Instrução de Desvio Condicional beq rega regb imm mem[pc] Busca instrução na memória Cond R[regA]-R[regB] Calcula a condição de desvio if (Cond eq 0) PC PC+1 + SignExt(imm) Calcula endereço PC relativo else PC PC+1 Calcula o próximo endereço 7 bits 0 bits bits bits 16 bits op rega regb imediato

22 Instrução de Desvio Condicional PC+1 vindo do caminho de dados de busca de uma instrução Somador Soma Endereço alvo do desvio condicional Instrução Registradores lido #2 escrito Dado de escrita Dado Ddo lido #2 Operação da UAL UAL Zero Para a lógica de controle do desvio condicional EscReg 16 Extensão de sinal

23 Busca de Instrução e Instruções Aritm. e Lóg. e de Referência à Memória PC 1 Endereço de leitura Instrução Memória de Instruções Somador M U X RegDst Registradores lido #2 escrito Dado de escrita EscReg 16 Extensão de sinal UAL fonte Operação da UAL M ux Zero Resultado da UAL UAL EscMem Memória de dados EndereçoDado lido Dado a ser escrito LerMem M M ux MemParaReg

24 Caminho de Dados para Suportar Subconjunto das Instruções FontePC M ux PC 1 Endereço de leitura Instrução Memória de Instruções Somador M U X RegDst Registradores lido #2 escrito Dado de escrita EscReg 16 Extensão de sinal UAL fonte M ux Resultado da UAL Somador Operação da UAL Zero Resultado da UAL UAL Dado a ser escrito EscMem Memória de dados EndereçoDado lido LerMem MemParaReg M ux

25 Caminho de Dados para Carregar PC PC incrementado normalmente Se instrução beq pode adicionar imm a PC + 1 M ux 1 Somador Resultado da UAL PC Endereço de leitura Instrução Memória de Instruções M U X RegDst Registradores UAL fonte lido #2 M escrito ux Dado de escrita EscReg 16 Extensão de sinal Somador Operação da UAL Zero Resultado da UAL UAL DvC

26 Juntando Todas as Partes PC 1 Endereço de leitura Instrução Memória de Instruções Somador PC +1 Resultado da UAL Registradores Somador Operação da UAL DvC EscMem UAL fonte Memória M lido #2 Zero de dados U Resultado EndereçoDado X M escrito ux da UAL lido Dado de escrita UAL RegDst Dado a EscReg ser escrito 16 Extensão LerMem de sinal 0 M ux 1 M ux MemParaReg

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