CPU Implementação. Multiciclo. Prof. Carlos Bazilio

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1 CPU Implementação Multiciclo Prof. Carlos Bazilio

2 Até então, tínhamos t...

3 Problemas com Implementação Monociclo Ciclo de clock tem o mesmo tamanho para todas as instruções implementadas; Este ciclo é definido pela instrução de maior duração (lw load word); Cada unidade funcional só pode ser usada 1 vez por ciclo; Com isso, algumas unidades funcionais são duplicadas, aumentando consideravelmente o custo do hardware.

4 Implementação Multiciclo A execução de cada instrução é quebrada em passos; Cada passo gasta 1 ciclo de clock; Com isso, uma unidade funcional pode ser utilizada + de 1 vez por instrução, desde que em diferentes ciclos.

5 Implementação Multiciclo Diferenças: Única memória; Única UAL; Registradores após unidades funcionais.

6 Implementação Multiciclo Caminho de Dados Inclusões: Registradores (IR, MDR, A, B, UALSaída), Multiplexadores (End. Memória, UAL)

7 Implementação Multiciclo Linhas de Controle

8 Implementação Multiciclo Caminho Completo

9 Trecho da MáquinaM de Estados

10 Passos na execução de uma instrução (1/5) Busca da instrução e cálculo do endereço seguinte: IR = Memória[PC] PC = PC + 4

11 Passos na execução de uma instrução (2/5) Decodificação da instrução e busca do registrador: A = Reg[IR[25-21]] B = Reg[IR[20-16]] UALSaída = PC + extensão_sinal(ir[15-0] << 2)

12 Passos na execução de uma instrução (3/5) Execução, cálculo do endereço de memória ou desvio condicional: Referência a memória: UALSaída = A + extensão_sinal(ir[15-0]) Instrução aritmética ou lógica: UALSaída = A op B Desvio condicional: Se (A == B) PC = UALSaída Desvio incondicional: PC = PC[31-28] (IR[25-0]<<2)

13 Passos na execução de uma instrução (4/5) Final de execução das instruções de escrita em memória e do tipo R: Referência a memória (load): MDR = Memória [UALSaída] Referência a memória (store): Memória [UALSaída] = B Instruções aritméticas ou lógicas: Reg[IR[15-11]] = UALSaída

14 Passos na execução de uma instrução (5/5) Final de execução das instruções de leitura à memória: Referência a memória (load): Reg[IR[20-16]] = MDR

15 Implementação do Controle No monociclo utilizamos um conjunto de tabelas-verdade; Na implementação de controle no projeto multiciclo veremos 2 abordagens: Máquina de estados finitos; Microprogramação.

16 Controle Máquina de Estados Finitos (1/6)

17 Controle Máquina de Estados Finitos (2/6)

18 Controle Máquina de Estados Finitos (3/6)

19 Controle Máquina de Estados Finitos (4/6)

20 Controle Máquina de Estados Finitos (5/6)

21 Máquina de Estados Finitos Completa (6/6)

22 Implementação do Controle

23 Microprogramação A implementação real do MIPS possui um conjunto com cerca de 100 instruções; Cada gasta de 1 a 20 ciclos de clock para ser executada; Naturalmente, a função de controle será bem mais complexa, o que dificulta a sua especificação de forma gráfica; Microprogramação é o projeto de controle como um programa que implementa instruções de máquina em termos de estruturas mas simples (microinstruções).

24 Microprogramação Na microprogramação temos a representação simbólica dos valores das linhas de controle; Assim, um microprograma está para os sinais de controle (microinstruções) assim como a linguagem de montagem está para as instruções de máquina.

25 Armazenamento de um Microcódigo

26 Formato da microinstrução Deve seguir padrões de projeto de linguagens de programação; Cada campo deve ser responsável por um conjunto de sinais que não se sobreponham; Do formato apresentado no livro, temos 6 campos que controlam o caminho de dados e 1 que controla o seqüenciamento das microinstruções.

27 Formato da microinstrução (1/4) Controle da UAL (operação da UAL) Valores: Soma: faz com o que a UAL some Subtração: idem para subtração Código de função: usa o campo de função da instrução SRC1 (entrada 1 da UAL) Valores: PC: PC como primeira entrada da UAL A: A como primeira entrada da UAL

28 Formato da microinstrução (2/4) SRC2 (entrada 2 da ual) Valores: B: B como segunda entrada da UAL 4: B constante 4 como segunda entrada da UAL Estendido: saída da extensão de sinal Estendido/deslocado: saída da extensão com deslocamento de 2 bits Controle de Registrador (leitura/escrita) Valores: Leitura: atualiza A e B com campos do IR Escrita da UAL: Escreve no banco com campo do IR (rd) e UALSaida como dado Escrita do MDR: Escreve no banco com campo do IR (rt) e MDR como dado

29 Formato da microinstrução (3/4) Memória (leitura/escrita na memória) Valores: Leitura à partir do PC: Lê da memória usando o PC e escreve resultado no IR Leitura à partir do UAL: Lê da memória usando o UALSaida e escreve resultado no MDR Escrita à partir da UAL: Escreve na memória usando UALSaida como endereço e B como dado Controle PCEsc (Escrita no PC) Valores: UAL: Escreve a saída da UAL no PC UALOut-cond: Se saída Z da UAL ativa, atualiza PC com UALSaida End. Desvio Incondicional: Atualiza PC com endereço incondicional da instrução

30 Formato da microinstrução (4/4) Seqüenciamento (Como escolher a próxima microinstrução) Valores: Seq: Escolhe a próxima microinstrução sequencialmente Busca: Desvia para a primeira microinstrução Despacho i: Despacha de acordo com o tipo de instrução (opcode)

31 Arquitetura Multiciclo

32 Microprograma Microprograma Busca UalOut B A Sub Beq1 Busca Incond Jump1 Busca EscUal Seq B A Func Rform1 Busca EscUal SW2 Busca EscMdr Seq LerUal LW2 Desp2 Ext A Soma Mem1 Desp1 Leitura ExtDes PC Soma Seq Ual PC 4 PC Soma Busca Seq PcEsc Mem Regs Src2 Src1 Ual Ident

33 Bibliografia Organização e projeto de computadores David A. Patterson & John L. Hennessy LTC