Sistemas Digitais (SD)

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1 Sistemas Digitais (SD) Máquinas de Estado Microprogramadas: Circuitos de Controlo, Transferência e Processamento de Dados Entradas de controlo Saídas de controlo Unidade de controlo Palavra de controlo Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados Operandos

2 Aula Anterior Na aula anterior: Projecto de máquinas de estados microprogramadas: com endereçamento explícito com endereçamento implícito Exemplos Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 2

3 Planeamento SEMANA TEÓRICA 1 TEÓRICA 2 PROBLEMAS/LABORATÓRIO 15/Set a 20/Set Introdução Sistemas de Numeração e Códigos 22/Set a 27/Set Álgebra de Boole Elementos de Tecnologia P0 29/Set a 4/Out Funções Lógicas Minimização de Funções Booleanas (I) L0 6/Out a 11/Out Minimização de Funções Booleanas (II) Def. Circuito Combinatório; Análise Temporal P1 13/Out a 18/Out Circuitos Combinatórios (I) Codif., MUXs, etc. Circuitos Combinatórios (II) Som., Comp., etc. L1 20/Out a 25/Out Circuitos Combinatórios (III) - ALUs Linguagens de Descrição e Simulação de Circuitos Digitais 27/Out a 1/Nov Circuitos Sequenciais: Latches Circuitos Sequenciais: Flip-Flops L2 3/Nov a 8/Nov Caracterização Temporal Registos P3 10/Nov a 15/Nov Revisões Teste 1 Contadores L3 17/Nov a 22/Nov 24/Nov a 29/Nov 1/Dez a 6/Dez 8/Dez a 13/Dez Síntese de Circuitos Sequenciais: Definições Síntese de Circuitos Sequenciais: Síntese com Contadores Máq. Estado Microprogramadas: Circuito de Dados e Circuito de Controlo Circuitos de Controlo, Transferência e Processamento de Dados de um Processador Síntese de Circuitos Sequenciais: Minimização do número de estados Memórias Máq. Estado Microprogramadas: Microprograma Lógica Programável P2 P4 L4 P5 L5 (1ª Parte) 15/Dez a 19/Dez P6 P6 L5 (2ª Parte) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 3

4 Sumário Tema da aula de hoje: Circuitos de controlo, transferência e processamento de dados Exemplo de uma arquitectura simples de um processador Bibliografia: M. Mano, C. Kime: Capítulo 7 G. Arroz, J. Monteiro, A. Oliveira: Secções 8.2 a 8.3 Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 4

5 Circuito de Dados e Circuito de Controlo Circuito de Dados e Circuito de Controlo (Revisão) Os sistemas digitais com alguma complexidade tornam-se difíceis de projectar como vulgares máquinas sequenciais síncronas, porque: Diagramas de estados / tabela de estados de grande dimensão Elevado número de: o Entradas, o Saídas, o Estados. Solução: organizar esses sistemas hierarquicamente, estabelecendo uma divisão entre: circuito de dados - dá suporte ao fluxo e à manipulação de dados; circuito de controlo - controla o circuito de dados. Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 5

6 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Entradas de controlo Saídas de controlo Unidade de controlo Palavra de controlo Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados Operandos A partir de um certo nível de complexidade, os circuitos digitais podem ser divididos em dois módulos distintos: Circuito de dados ou unidade de processamento ou datapath; Circuito de controlo ou unidade de controlo Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 6

7 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Entradas de controlo Saídas de controlo Unidade de controlo Palavra de controlo Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados Operandos A unidade de processamento processa a informação útil do sistema e é tipicamente constituída por um conjunto de módulos combinatórios (ex: ALU) e elementos de memória (ex: banco de registos, memória RAM, etc.). Sobre a informação contida nos elementos de memória (ex: registo), podem ser realizadas operações cujo resultado pode ser guardado no mesmo registo, noutro registo ou mesmo numa posição de memória. Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 7

8 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Entradas de controlo Unidade de Palavra de controlo Saídas de controlo controlo Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados Operandos A unidade de controlo é responsável por gerar os sinais de controlo (palavra de controlo) que sequenciam as operações básicas do circuito de dados a cada ciclo de relógio, de modo a que o sistema realize operações complexas. Têm dois tipos de entradas: Entradas de controlo, que controlam o funcionamento do sistema; Bits de estado, provenientes do circuito de dados, com informação referente à última operação realizada pelo circuito de dados. Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 8

9 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Pseudo-Código Maior_Divisor_Comum (X,Y) Enquanto (Y 0) { se X Y então X = X Y se não, troca X com Y } Resultado em X Sugestão: verifique, através de um par de inteiros (ex: 54 e 36) que o resultado é o esperado. Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 9

10 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Pseudo-Código Unidade de Processamento Maior_Divisor_Comum (X,Y) Enquanto (Y 0) { se X Y então X = X Y se não, troca X com Y } Resultado em X Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 10

11 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Processamento Exemplo: mdc(54,36) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 11

12 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Fluxograma Unidade de Processamento Controlo? Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 12

13 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Fluxograma Unidade de Controlo Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 13

14 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Controlo: Unidade de Processamento: Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 14

15 Problema: A síntese de circuitos de processamento e de controlo para a realização de operações complexas, com muitos estados e variáveis de entrada, torna-se complexa, trabalhosa e pouco eficiente Esforço de desenvolvimento/implementação insustentável Alternativa: Utilização de unidades de processamento genéricas e não dedicadas à aplicação; Utilização de unidades de controlo microprogramadas. Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 15

16 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Processamento Genérica Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 16

17 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Processamento Genérica Banco de Registos 16 D 3 R/W C SelA R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R A B SelD 3 SelB Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 17

18 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Processamento Genérica Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 18

19 Unidade Lógica e Aritmética Operações da unidade lógica e aritmética S 4 S 3 S 2 S 1 S R A + B Soma Operação R A B Subtracção R A + B + C Soma com bit de 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 Ʌ B Conjunção R A V B Disjunção R A B Disjunção exclusiva R SHR A Deslocamento lógico à direita R SHL A Deslocamento lógico à esquerda A função realizada é definida por uma palavra de comando; Várias codificações possíveis 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 RORL A Rotação à esquerda com transporte R A Transferência Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 19

20 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Processamento Genérica Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 20

21 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Controlo Microprogramada Características: 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 Sistemas Digitais 2014/15 21

22 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Controlo Microprogramada Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 22

23 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Controlo Microprogramada 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 Sistemas Digitais 2014/15 23

24 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Controlo Microprogramada Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 24

25 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Controlo Microprogramada Cada palavra da ROM deverá conter os seguintes campos: NS PO TV CT 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 Sistemas Digitais 2014/15 25

26 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Controlo Microprogramada Exemplo: Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 26

27 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Unidade de Controlo Microprogramada Cada palavra da ROM deverá conter os seguintes campos: NS PO TV CT Ao conjunto de campos que especificam o funcionamento do controlador chama-se microinstrução; Ao conjunto de microinstruções chama-se microprograma. Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 27

28 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Processamento Dedicada Unidade de Processamento Genérica Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 28

29 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Fluxograma Descrição em linguagem RTL: Dados de entrada: R1, R2 Resultado: R2 (R3 = registo temporário) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 29

30 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Microprogamação: ES0 ES1 SEL fim Operação ULA Reg A Reg B dest R/W 5 estados 3 bits para codificar os endereços de controlo Como T1 pode ter 3 estados seguintes diferentes (um deles é incremental): 2 campos para endereço seguinte ES0 e ES1 2 bits para decidir entre os 3 estados seguintes possíveis Condições de salto: inicio, em T0 flags Z e N da ALU, em T1 estado seguinte, em T2 e T3 salto incondicional, em T4 2 bits de controlo (Sel) 1 bit para saída de controlo (fim) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 30

31 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Controlo: R/W Control Address Register (CAR) MUX S: Sel = 00 CAR ES0 Sel = 01 CAR CAR + 1 Sel = 10 CAR ES0, se início = 0 CAR CAR + 1, se início = 1 Sel = 11 CAR ES0, se NZ = 00 CAR ES1, se NZ = 01 CAR CAR + 1, se NZ = 10 Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 31

32 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum R/W End. ES0 ES1 SEL fim Op. ULA reg. A reg. B reg. R/W dest XXX 10 1 XXXXX XX XX XX XXX XXX XXX XXX XX XXX XX 10 0 Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 32

33 Exemplo Exemplo: Maior Divisor Comum Especificação da ROM: End. ES0 ES1 SEL fim Op. ULA reg. A reg. B reg. R/W dest XXX 10 1 XXXXX XX XX XX XXX XXX XXX XXX XX XXX XX 10 0 End. ROM 0h h h h h Dimensão da ROM: 5 endereços, palavras de 21 bits 105 bits Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 33

34 Próxima Aula Tema da Próxima Aula: Lógica programável: ROM PLA PAL FPGA Linguagens de descrição de hardware VHDL Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 34

35 Agradecimentos Algumas páginas desta apresentação resultam da compilação de várias contribuições produzidas por: Guilherme Arroz Horácio Neto Nuno Horta Pedro Tomás Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2014/15 35