INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO. Arquitectura de Computadores (ACom)

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1 UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Departamento de Engenharia Informática Arquitectura de Computadores (ACom) LEIC-A, MEIC-A Acetatos das Aulas Teóricas Versão Português Aula N o 12: Título: Sumário: Unidade de Micro-operações sobre uma unidade de processamento; Circuito de controlo; Máquinas de estado; sistemas programáveis; microprogramado. 2010/2011 Nuno.Roma@ist.utl.pt

2 Arquitectura de Computadores (ACom) Unidade de Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 1 / 40 Aula Anterior Na aula anterior... Unidade de processamento de um processador: Banco de registos Unidade Lógica e Aritmética - ULA Arithmetic and Logic Unit - ALU Estrutura de uma ULA: Unidade aritmética: somador subtractor multiplicador divisor Unidade lógica Unidade de deslocamento Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 2 / 40

3 Sumário Hoje: Unidade de : Micro-operações sobre uma unidade de processamento Circuito de controlo Máquinas de estado sistemas programáveis microprogramado Bibliografia: Secções 7.1 a 7.5 Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 3 / 40 Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 4 / 40

4 Separação entre Unidade de e Unidade de Processamento Entradas de controlo Saídas de controlo Operandos Unidade de controlo Palavra de controlo Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 5 / 40 Unidade de Processamento Banco de registos Palavra de controlo k n n Operandos Bits de estado m ULA Resultado n Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 6 / 40

5 Banco de Registos 3 Escrita SelD D n Banco de 8 registos SelA SelB 3 3 A B n n Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 7 / 40 Estrutura Interna da Unidade Lógica e Aritmética Palavra de controlo Unidade aritmética Unidade lógica p q r n A n n B n Unidade de deslocamento n SelMUX 2 n Resultado Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 8 / 40

6 Tabela de Micro-operações da ULA S 4 S 3 S 2 S 1 S 0 Micro-operação R A + B soma R A B subtracção R A + B + C soma com bit transporte R A B C subtracção com transporte negado R A 1 decremento R A + 1 incremento R A C decremento, se C = R A + C incremento, se C = R A complemento R A B conjunção R A B disjunção R A B disjunção exclusiva R shr A deslocamento lógico à direita R shl A deslocamento lógico à esquerda R shra A deslocamento aritmético à direita R shla A deslocamento aritmético à esquerda R ror A rotação à direita R rol A rotação à esquerda R rorc A rotação à direita com transporte R rolc A rotação à esquerda com transporte R A transferência Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 9 / 40 Exemplo: Maior Divisor Comum Pseudo-código: Maior Divisor Comum(X, Y) 1. enquanto (Y 0){ 2. se X Y 3. então X=X-Y 4. se não, troca X com Y 5. } 6. resultado em X Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 10 / 40

7 Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Processamento: Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 11 / 40 Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Processamento:? Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 11 / 40

8 Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Processamento: Fluxograma: 0 fim inicio T0 1 T1 Ry= RX>=Ry? Rx Ry Ry Rx Rx Rx-Ry Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 11 / 40 Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 12 / 40

9 A maioria dos circuitos de controlo apresenta nas saídas um valor que depende das entradas em instantes de tempo anteriores Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 13 / 40 A maioria dos circuitos de controlo apresenta nas saídas um valor que depende das entradas em instantes de tempo anteriores Este comportamento é conseguido usando elementos de memória Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 13 / 40

10 A maioria dos circuitos de controlo apresenta nas saídas um valor que depende das entradas em instantes de tempo anteriores Este comportamento é conseguido usando elementos de memória Circuitos Sequenciais Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 13 / 40 A maioria dos circuitos de controlo apresenta nas saídas um valor que depende das entradas em instantes de tempo anteriores Este comportamento é conseguido usando elementos de memória Circuitos Sequenciais complexos, como computadores, PDAs e telemóveis são também circuitos sequenciais. Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 13 / 40

11 Circuito Sequencial Síncrono Entradas primárias Saídas primárias Registos Circuito combinatório Realimentação Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 14 / 40 Circuito Sequencial Síncrono Entradas primárias Saídas primárias Registos Circuito combinatório Realimentação A mudança de estado ocorre quando existe uma transição do sinal de relógio (); Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 15 / 40

12 Circuito Sequencial Síncrono Entradas primárias Saídas primárias Registos Circuito combinatório Realimentação A mudança de estado ocorre quando existe uma transição do sinal de relógio (); O circuito combinatório define o comportamento pretendido (transição entre estados); Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 15 / 40 Circuito Sequencial Síncrono Entradas primárias Saídas primárias Registos Circuito combinatório Realimentação A mudança de estado ocorre quando existe uma transição do sinal de relógio (); O circuito combinatório define o comportamento pretendido (transição entre estados); Os valores das saídas realimentadas no circuito apenas são assumidos como estado na altura em que o relógio muda de nível. Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 15 / 40

13 Circuito Sequencial Síncrono Um circuito sequencial síncrono corresponde a uma máquina de estados definida pelos seguintes componentes: Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 16 / 40 Circuito Sequencial Síncrono Um circuito sequencial síncrono corresponde a uma máquina de estados definida pelos seguintes componentes: As possíveis combinações de entrada que controlam a máquina de estados; Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 16 / 40

14 Circuito Sequencial Síncrono Um circuito sequencial síncrono corresponde a uma máquina de estados definida pelos seguintes componentes: As possíveis combinações de entrada que controlam a máquina de estados; As possíveis combinações de saída que são geradas pela máquina de estados; Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 16 / 40 Circuito Sequencial Síncrono Um circuito sequencial síncrono corresponde a uma máquina de estados definida pelos seguintes componentes: As possíveis combinações de entrada que controlam a máquina de estados; As possíveis combinações de saída que são geradas pela máquina de estados; O conjunto de entradas da máquina; Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 16 / 40

15 Circuito Sequencial Síncrono Um circuito sequencial síncrono corresponde a uma máquina de estados definida pelos seguintes componentes: As possíveis combinações de entrada que controlam a máquina de estados; As possíveis combinações de saída que são geradas pela máquina de estados; O conjunto de entradas da máquina; A função de transição de estados - determina de que modo a máquina evolui entre estados, de acordo com o estado presente e a combinação presente nas entradas; Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 16 / 40 Circuito Sequencial Síncrono Um circuito sequencial síncrono corresponde a uma máquina de estados definida pelos seguintes componentes: As possíveis combinações de entrada que controlam a máquina de estados; As possíveis combinações de saída que são geradas pela máquina de estados; O conjunto de entradas da máquina; A função de transição de estados - determina de que modo a máquina evolui entre estados, de acordo com o estado presente e a combinação presente nas entradas; A função de saída - determina qual a saída gerada pela máquina para um dado estado e uma dada combinação de entradas; Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 16 / 40

16 Circuito Sequencial Síncrono Um circuito sequencial síncrono corresponde a uma máquina de estados definida pelos seguintes componentes: As possíveis combinações de entrada que controlam a máquina de estados; As possíveis combinações de saída que são geradas pela máquina de estados; O conjunto de entradas da máquina; A função de transição de estados - determina de que modo a máquina evolui entre estados, de acordo com o estado presente e a combinação presente nas entradas; A função de saída - determina qual a saída gerada pela máquina para um dado estado e uma dada combinação de entradas; O estado no qual a máquina de estados deve iniciar o seu funcionamento. Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 16 / 40 Circuito Sequencial Síncrono Entradas primárias Saídas primárias Registos Circuito combinatório Realimentação Na prática... Valor dos elementos de memória - define o estado da máquina Circuito combinatório - define a função de transição entre estados e a função de saída Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 17 / 40

17 Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de : Unidade de Processamento: Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 18 / 40 Exemplo: Maior Divisor Comum Diagrama temporal: Clk Estado T0 T1 T1 T1 T1 T1 T1 T0 T0 Rx Ry Início Fim LDx LDy xmy Zy Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 19 / 40

18 Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 20 / 40 Máquinas de Mealy vs Máquinas de Moore Máquinas de Mealy vs Máquinas de Moore: Distinguem-se apenas no modo como as saídas são geradas: Entradas Lógica Saídas Entradas de geração de saídas e do próximo estado Registos Registos Lógica de geração de saídas Lógica do próximo estado Saídas Máquina de Mealy Máquina de Moore Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 21 / 40

19 Máquinas de Mealy vs Máquinas de Moore Entradas Lógica Saídas Entradas de geração de saídas e do próximo estado Registos Registos Lógica de geração de saídas Lógica do próximo estado Saídas Máquina de Mealy Máquina de Moore Máquina de Mealy - o valor das saídas é função dos valores das variáveis de estado (memória) e dos valores das entradas Máquina de Moore - o valor das saídas é unicamente função dos valores das variáveis de estado (memória) Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 22 / 40 Máquinas de Mealy vs Máquinas de Moore Exemplo: cálculo da paridade (símbolo = 3 bits) Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 23 / 40

20 Máquinas de Mealy vs Máquinas de Moore Exemplo: cálculo da paridade (símbolo = 3 bits) Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 23 / 40 Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 24 / 40

21 Em geral, o controlo do fluxo de execução aplicado em sistemas programáveis baseia-se na aplicação de Máquinas de Moore Porquê? Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 25 / 40 Em geral, o controlo do fluxo de execução aplicado em sistemas programáveis baseia-se na aplicação de Máquinas de Moore Porquê? Em geral, uma dada instrução permite realizar apenas uma das seguintes tarefas: Leitura de uma variável de entrada Escrita de uma variável de saída Avaliação do próximo estado/saída Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 25 / 40

22 Em geral, o controlo do fluxo de execução aplicado em sistemas programáveis baseia-se na aplicação de Máquinas de Moore Porquê? Em geral, uma dada instrução permite realizar apenas uma das seguintes tarefas: Leitura de uma variável de entrada Escrita de uma variável de saída Avaliação do próximo estado/saída Não é possível, numa única instrução, fazer depender o valor de uma saída com o valor de uma entrada e estado do sistema nesse mesmo instante Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 25 / 40 Em geral, o controlo do fluxo de execução aplicado em sistemas programáveis baseia-se na aplicação de Máquinas de Moore Porquê? Em geral, uma dada instrução permite realizar apenas uma das seguintes tarefas: Leitura de uma variável de entrada Escrita de uma variável de saída Avaliação do próximo estado/saída Não é possível, numa única instrução, fazer depender o valor de uma saída com o valor de uma entrada e estado do sistema nesse mesmo instante Máquina de Moore Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 25 / 40

23 Em geral, o controlo do fluxo de execução aplicado em sistemas programáveis baseia-se na aplicação de Máquinas de Moore Porquê? Em geral, uma dada instrução permite realizar apenas uma das seguintes tarefas: Leitura de uma variável de entrada Escrita de uma variável de saída Avaliação do próximo estado/saída Não é possível, numa única instrução, fazer depender o valor de uma saída com o valor de uma entrada e estado do sistema nesse mesmo instante Máquina de Moore Consequência: programas maiores (mais instruções) do que seriam caso fosse possível adoptar Máquinas de Mealy. Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 25 / 40 Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 26 / 40

24 Exemplo: Maior Divisor Comum Pseudo-código: Maior Divisor Comum(X, Y) 1. enquanto (Y 0){ 2. se X Y 3. então X=X-Y 4. se não, troca X com Y 5. } 6. resultado em X Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 27 / 40 Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de : Unidade de Processamento: Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 28 / 40

25 Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de : Problema: circuito dedicado! Unidade de Processamento: Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 28 / 40 Síntese de Circuitos de Problema: A síntese de controladores complexos, com muitos estados e variáveis de entrada, torna-se muito complicada e pouco eficiente Esforço de desenvolvimento/implementação insustentável Alternativa: Aplicação de metodologias de microprogramação, utilizando unidades de processamento genéricas e não dedicadas à aplicação Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 29 / 40

26 Unidade de Processamento Banco de registos Palavra de controlo k n n Operandos Bits de estado m ULA Resultado n Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 30 / 40 Unidade de Processamento Banco de registos Palavra de n n controlo k??? Operandos Bits de estado m ULA Resultado n Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 30 / 40

27 Unidade de Microprogramada Características de uma unidade de controlo microprogramada: As saídas dependem apenas do estado actual Máquina de Moore Em cada estado apenas é testada uma variável de entrada Como resultado de cada teste numa variável de entrada, o controlador poderá saltar para um estado arbitrário (se o teste for verdadeiro) ou transitar para o estado seguinte (se o teste for falso) Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 31 / 40 Unidade de Microprogramada Próximo estado (NS) Contador Ld/inc Lógica combinatória Saídas (PO) Entradas 1... Multiplexador Teste complementado (CT) Variável a testar (TV) Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 32 / 40

28 Unidade de Microprogramada Próximo estado (NS) Contador Ld/inc Lógica combinatória Saídas (PO) Entradas 1... Multiplexador Teste complementado (CT) Variável a testar (TV) Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 33 / 40 Unidade de Microprogramada Próximo estado (NS) Contador Ld/inc Lógica combinatória Saídas (PO) Entradas 1... Multiplexador Teste complementado (CT) Variável a testar (TV) O bloco combinatório pode ser realizado utilizando uma ROM com um número de linhas igual ao número de estados e com tantas saídas quantas as necessárias para gerar as variáveis de saída do bloco combinatório. Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 33 / 40

29 Unidade de Microprogramada Próximo estado (NS) Próximo estado (NS) Contador Ld/inc Lógica combinatória Saídas (PO) Contador Ld/inc ROM Saídas (PO) Entradas 1... Multiplexador Teste complementado (CT) Entradas 1... Multiplexador Teste complementado (CT) Variável a testar (TV) Variável a testar (TV) O bloco combinatório pode ser realizado utilizando uma ROM com um número de linhas igual ao número de estados e com tantas saídas quantas as necessárias para gerar as variáveis de saída do bloco combinatório. Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 33 / 40 Unidade de Microprogramada Próximo estado (NS) Contador ROM Saídas (PO) Ld/inc Entradas 1... Multiplexador Teste complementado (CT) Variável a testar (TV) Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 34 / 40

30 Unidade de Microprogramada Próximo estado (NS) Contador Ld/inc ROM Saídas (PO) Cada palavra da ROM deverá ser dividida em quatro partes: Entradas 1... Multiplexador Teste complementado (CT) NS PO TV CT Variável a testar (TV) Next State (NS) - especifica o próximo estado, para onde o controlador deverá saltar se o teste efectuado tiver resultado positivo Primary Output (PO) - valores pretendidos para as variáveis de saída Test Variable (TV) - indica a variável que deverá ser testada Complement Test (CT) - indica se o salto deverá ocorrer quando a variável de teste está a 1 ou a 0 Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 35 / 40 Unidade de Microprogramada Exemplo: Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 36 / 40

31 Unidade de Microprogramada Próximo estado (NS) Contador Ld/inc ROM Saídas (PO) Cada palavra da ROM deverá ser dividida em quatro partes: Entradas 1... Multiplexador Teste complementado (CT) NS PO TV CT Variável a testar (TV) Ao conjunto de campos que especificam o funcionamento do controlador chama-se microinstrução Ao conjunto de microinstruções chama-se microprograma Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 37 / 40 Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 38 / 40

32 microprogramado (continuação) Estrutura interna de um processador P3: Unidade de processamento Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 39 / 40 Nota de Agradecimento Agradecimento Algumas páginas desta apresentação foram extraidas de: [1] José Carlos Monteiro, Arquitectura de Computadores, Instituto Superior Técnico (IST), Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, Prof. Nuno Roma ACom 2010/11 - DEI-IST 40 / 40