Introdução à arquitectura de microprocessadores. Estilo de projecto (1) Estilo de projecto (2) Registos de uso geral

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1 Introdução à arquitectura de microprocessadores Organização: Projecto de uma arquitectura elementar O microprocessador P-LOGO Implementação do P-LOGO em PALASM A microprogramação e o P-LOGO Introdução à arquitectura de microprocessadores - Estilo de projecto () Existem essencialmente duas abordagens para a geração dos sinais de relógio para os FF: Sinais de relógio Relógio bloqueáveis (gated clocks) Um sinal de relógio A para todos os FF Relógio (free-running clocks) Introdução à arquitectura de microprocessadores Habilita Habilita mux : A Relógio Habilita Relógio_x Saída adquire ovalordea Relógio Habilita Saída mantém o valor actual Saída adquire? Saída adquire ovalordea Estilo de projecto () Apesar de ser possível evitar a ocorrência de impulsos extemporâneos nos sinais de relógio bloqueáveis, optaremos pela aplicação de um único sinal de relógio a todos os FF: Maior simplicidade do projecto e análise, nomeadamente no domínio temporal Maior simplicidade do teste e do projecto para a testabilidade Registos de uso geral Actualizam as saídas de forma cadenciada com um sinal de relógio Andar genérico: mux : ados[i] Carr_reg Andar genérico para leitura / escrita: Carr_reg mux : Reg[i] Abre_reg Reg[ ados[ Introdução à arquitectura de microprocessadores - Introdução à arquitectura de microprocessadores - 4

2 Contador ascendente Outros tipos de contadores À excepção dos dois bits menos significativos, um contador ascendente pode ser construído com base na seguinte andar genérico: Ascendente com carga paralela: Reg[] Reg[] Reg[i-] ados[i] mux Controlo Reg[i] Controlo ados EX-OR Reg[] Reg[] Reg[i-] mux : Incr_reg Reg[i] Bidireccional com carga paralela: Reg[] Reg[] ados[i] mux Sequência de contagem binária ascendente em 4 bits () (4) (8) () () (5) (9) () () (6) () (4) () (7) () (5) Reg[i-] Controlo Reg[i] Introdução à arquitectura de microprocessadores - 5 Introdução à arquitectura de microprocessadores - 6 Outros blocos Com base nas estruturas apresentadas poderíamos facilmente construir outros blocos: Um registo multi-função, apto a suportar instruções do tipo L, INCR e ECR (uantas entradas seriam necessárias no mux que precede o FF? Seria esta a forma mais eficiente para implementar estas instruções?) O registo de programa (PC, Program Counter) - que tipo de contador, de entre os apresentados anteriormente, melhor se adequa para implementar o PC? Introdução à arquitectura de microprocessadores - 7 A unidade de descodificação e controlo Esta unidade é implementada como uma máquina de estados, pelos processos conhecidos: (opcode) (est. actual) (est. seguinte) (sinais de controlo internos) IR[] IR[] Incr_PC Carr_R Incr_R () Instrução L R,#VAL Código da instrução eoutras indicações Instrução INCR R X X X X X X X X X X X X Introdução à arquitectura de microprocessadores - 8 (estado actual) (FF ) Bloco combinatório (estado seguinte) Saídas para o exterior (sinais de controlo para os vários blocos)

3 A unidade de descodificação e controlo microprogramada Na alternativa microprogramada (em vez de hardwired), a funcionalidade deste bloco é definida pelo conteúdo da µmemória: (e não pela interligação entre portas lógicas elementares) Introdução à arquitectura de microprocessadores - 9 Código da instrução (bitsmaissignificativos do endereço na µ memória) Contador ascendente (bits menos significativos do endereço na µ memória) µ mem Saídas para o exterior (sinais de controlo interno para os vários blocos) O microprocessador P- LOGO O P-LOGO permite-nos analisar em detalhe o desenvolvimento de um pequeno microprocessador Neste exemplo, estaremos interessados em: Implementar um conjunto de instruções que correspondam aos comandos LOGO mais comuns ispor de entradas e saídas de uso genérico Introdução à arquitectura de microprocessadores - Motor C Motor C Roda motriz P-LOGO Roda motriz Saídas Entradas Roda que gira livremente As instruções do P-LOGO Existem quatro grupos principais de instruções: Movimento Comentários FRONT <val> eslocar para a frente (<val> unidades) BACK <val> eslocar para trás (<val> unidades) LEFT <val> Rodar à esquerda (<val> unidades) RIGHT <val> Rodar à direita (<val> unidades) Controlo de saídas Comentários SETOUTi Coloca a saída i (i=..) em RSTOUTi Coloca a saída i (i=..) em Saltos Comentários JPINi <addr> Salta para o endereço <addr> se a entrada INi estiver em JP <addr> Salta para a o endereço <addr> Geral Comentários HALT Pára a execução do programa Atribuição de códigos de instrução Grupos de instruções / opcodes: Movimento (FRONT, BACK, LEFT e RIGHT): XX Saídas em (SETOUT,,SETOUT): XX Saídas em (RSTOUT,,RSTOUT): XX Saltos condicionais (JPIN,,JPIN): XX Salto não condicional (JP): Paragem (HALT): Introdução à arquitectura de microprocessadores - Introdução à arquitectura de microprocessadores -

4 Arquitectura do P-LOGO () Arquitectura do P-LOGO () IN[..] [..7] escodificação e controlo de execução das instruções Introdução à arquitectura de microprocessadores - A[..7] IR PC CNT Carr_PC Incr_PC Carr_CNT ecr_cnt Código de instrução New_val Bit_id [,] Update Fim de contagem (cnt_zero) OUT[..] Sinais de controlo para todos os blocos (, Carr_PC, Incr_PC, Carr_CNT, ecr_cnt, New_val, Bit_id [,], Update) L_front, L_back, R_front, R_back (para o controlo dos motores) Notas: Cinco bits bastam para o IR Para simplificar a implementação, assumiremos que o PC tem apenas oito bits (que implicações é que isto tem?) O comando dos motores C é feito da seguinte forma: Parado Agirar Agirar Parado L_front L_back L_front L_back Introdução à arquitectura de microprocessadores L_front L_back + - L_front L_back L_front L_back ecomposição das instruções Considerando a instrução FRONT <val>, teremos as seguintes etapas elementares: Carregar o IR Incrementar o PC Carregar o contador interno com <val> Enquanto o contador for maior que, decrementar o contador e manter activos os sinais L_front e R_front Incrementar o PC e passar à instrução seguinte Introdução à arquitectura de microprocessadores - 5 iagrama de transição de estados para cada instrução Para a instrução, FRONT <val>, porque é que o diagrama de estados apresentado não serve? Incr_PC Carr_CNT Cnt_zer Est. Est. Est. Est.? ª ª ª 4ª tempo Introdução à arquitectura de microprocessadores - 6 (representam-se para todos os sinais os atrasos devidos aostemposdepropagação) CNT é carregado e ocorre a transição paraoestadoseguinteao(qual?) PC é incrementado (coloca <val> no barramentodedados) IR é carregado com o opcode de FRONT / Incr_PC 4 Carr_CNT / L_front, R_front, ecr_cnt Incr_PC

5 Instruções de movimento Instruções de controlo das saídas, salto e paragem Incr_PC Carr_CNT BACK Incr_PC Carr_CNT RIGHT Controlo das saídas: (SETOUTi, RSTOUTi) Bit_id[,]=i, New_val, Update, Incr_PC Bit_id[,]=i, Update, Incr_PC / Incr_PC, ecr_cnt / L_front, R_front, 4 ecr_cnt Incr_PC Carr_CNT / Incr_PC, ecr_cnt / L_back, R_front, 4 ecr_cnt Incr_PC Carr_CNT Salto (JPINi, JP): Incr_PC /IN[i] IN[i] Incr_PC Carr_PC Incr_PC Carr_PC FRONT / Incr_PC, ecr_cnt / L_back, R_back, 4 ecr_cnt LEFT / Incr_PC, ecr_cnt / L_front, R_back, 4 ecr_cnt Paragem (HALT): Introdução à arquitectura de microprocessadores - 7 Introdução à arquitectura de microprocessadores - 8 Implementação do P-LOGO em PALASM Etapas principais: Codificação dos vários blocos da arquitectura apresentada em PALASM Verificação funcional por simulação lógica Programação e colocação em funcionamento uestões principais: ual o dispositivo a seleccionar? Como implementar a unidade de descodificação e controlo? Introdução à arquitectura de microprocessadores - 9 Complexidade da unidade de descodificação e controlo Número máximo de estados por instrução: 5 (torna necessário pelo menos FF para a codificação de estado) Entradas internas: (proveniente do contador) +5 (provenientes do registo de instrução) + (provenientes dos FF que codificam o estado actual) Entradas externas: 4 (das entradas IN[]) Saídas internas: 9 (, Carr_PC, Incr_PC, Carr_CNT, ecr_cnt, New_val, Bit_id[,] e Update) + (para os FF que codificam o estado actual) Saídas externas: 4 (controlo dos motores) Introdução à arquitectura de microprocessadores -

6 Secção declarativa ;PALASM esign escription ; eclaration Segment TITLE LOGO.PS PATTERN Micro LOGO para as T/P de Microprocessadores REVISION ; como a mas com os diagramas todos corrigidos AUTHOR JMF COMPANY FEUP/EEC ATE Outubro 997 CHIP Micro MACH PIN 65 CLOCK ; CLOCK INPUT PIN? RESET ; INPUT - INTERNAL RESET NOE GLOBAL PIN? ST[..] REGISTERE ; ESTAO PIN? [..7] ; INPUT - ATA BUS Introdução à arquitectura de microprocessadores - A unidade de descodificação e controlo () ; State Segment STATE MEALY_MACHINE START_UP := POWER_UP -> ZERO ;STATE ASSIGNEMENT ZERO = /ST[]*/ST[]*/ST[] ONE = /ST[]*/ST[]* ST[] TWO = /ST[]* ST[]*/ST[] THREE = /ST[]* ST[]* ST[] FOUR = ST[]*/ST[]*/ST[] ; TRANSITION EUATIONS ZERO := VCC -> ONE ONE := FRONT -> TWO + BACK -> TWO + LEFT -> TWO Introdução à arquitectura de microprocessadores - (Transição de estados) A unidade de descodificação e controlo () ;OUTPUT EUATIONS ZERO.OUTF = VCC -> CARR_IR*/INCR_PC*/CARR_PC*/ECR_CNT*/CARR_CNT */L_FRONT*/L_BACK*/R_FRONT*/R_BACK */NEW_VAL*/BIT_I[]*/BIT_I[]*/UPATE ONE.OUTF = FRONT -> /CARR_IR* INCR_PC*/CARR_PC*/ECR_CNT*/CARR_CNT */L_FRONT*/L_BACK*/R_FRONT*/R_BACK CONITIONS ; IR[..4]= FRONT <VAL> FRONT = /IR[4]*/IR[]*/IR[]*/IR[]*/IR[] FRONTA = /IR[4]*/IR[]*/IR[]*/IR[]*/IR[]*/CNT_ZERO FRONTB = /IR[4]*/IR[]*/IR[]*/IR[]*/IR[]* CNT_ZERO Introdução ao Projecto com Sistemas igitais e Microcontroladores Introdução à arquitectura de microprocessadores - (Equações das saídas) (Condições) Registo de instrução iagrama lógico: escrição em PALASM: Introdução à arquitectura de microprocessadores - 4 mux : [i] ; Equations Segment EUATIONS GLOBAL.RSTF = RESET IR[..4] := [..4]*CARR_IR + IR[..4]*/CARR_IR IR[i

7 Registo de programa (PC) Contador interno iagrama lógico: PC[] PC[] PC[i-] [i] mux, Incr_PC, Carr_PC PC[i] iagrama lógico CNT[] CNT[] CNT[i-] [i] mux ecr_cnt, Carr_CNT, CNT[i] escrição em PALASM escrição em PALASM PC[] := PC[]*/INCR_PC*/CARR_PC + PC[]* INCR_PC* CARR_PC + []*/INCR_PC* CARR_PC + /PC[]* INCR_PC*/CARR_PC PC[] := PC[]*/INCR_PC*/CARR_PC + PC[]* INCR_PC* CARR_PC + []*/INCR_PC* CARR_PC + (PC[] :+: PC[])* INCR_PC*/CARR_PC PC[] := PC[]*/INCR_PC*/CARR_PC + PC[]* INCR_PC* CARR_PC + []*/INCR_PC* CARR_PC + (PC[] :+: (PC[]* PC[]))* INCR_PC*/CARR_PC Introdução à arquitectura de microprocessadores - 5 CNT[]:= CNT[]*/ECR_CNT*/CARR_CNT + CNT[]* ECR_CNT* CARR_CNT + []*/ECR_CNT* CARR_CNT + /CNT[]* ECR_CNT*/CARR_CNT CNT[]:= CNT[]*/ECR_CNT*/CARR_CNT + CNT[]* ECR_CNT* CARR_CNT + []*/ECR_CNT* CARR_CNT + (CNT[] :+: /CNT[])* ECR_CNT*/CARR_CNT Introdução à arquitectura de microprocessadores - 6 Saídas de uso genérico Verificação do projecto Update Bit_id[,] iagrama lógico: escrição PALASM: New_value OUT[] := UPATE*/BIT_I[]*/BIT_I[]* NEW_VAL + /(UPATE*/BIT_I[]*/BIT_I[])*OUT[] OUT[] := UPATE*/BIT_I[]* BIT_I[]* NEW_VAL + /(UPATE*/BIT_I[]* BIT_I[])*OUT[] OUT[] := UPATE* BIT_I[]*/BIT_I[]* NEW_VAL + /(UPATE* BIT_I[]*/BIT_I[])*OUT[] OUT[] := UPATE* BIT_I[]* BIT_I[]* NEW_VAL + /(UPATE* BIT_I[]* BIT_I[])*OUT[] mux : OUT[] Secção de simulação (FRONT 7): ; Simulation Segment SIMULATION TRACE_ON CLOCK CARR_IR INCR_PC CARR_CNT ECR_CNT CNT_ZERO L_FRONT R_FRONT OUT[] SETF RESET SETF /RESET ; coloca no barramento de dados o codigo da instrucao FRONT 7 SETF /[] /[] /[] /[] /[4] /[5] /[6] /[7] CLOCKF CLOCK ; prepara a carga do operando (7) para o contador SETF [] [] [] FOR I:= TO O BEGIN CLOCKF CLOCK EN Introdução à arquitectura de microprocessadores - 7 Introdução ao Projecto com Sistemas igitais e Microcontroladores Introdução à arquitectura de microprocessadores - 8

8 Resultados da simulação FRONT 7 e SETOUT: Introdução à arquitectura de microprocessadores - 9 Implementação sobre uma MACH Introdução à arquitectura de microprocessadores - R_BACK PC[5] R_FRONT. L_BACK PC[6] L_FRONT. OUT[].-----'--'--'--'--'--o-----'--'--'--' PC[7] 7 9 OUT[] PC[] 8 G V 8 OUT[] PC[4] 9 n c 7 OUT[] RESET d c 6 [] 5 EFAULT_ Gnd MACH- 4 Gnd [] [4] IN[] 4 V G [] [7] 5 c n [6] 6 c d IN[] ' ' [5] ' IN[] ' [] PC[] IN[] PC[] PC[] Uso dos recursos internos da MACH O P-LOGO microprogramado *** evice Resource Checks [..7] A[..7] OUT[..] Available Used Remaining Clocks: Pins: 8 8 -> 78% I/O Macro: 6 6 Total Macro: Product Terms: > 84% MACH-PL Resource Checks OK! () > INFORMATION F5 - evice Utilization... *: 8 % Introdução à arquitectura de microprocessadores - IN[..] escodificação e controlo de execução das instruções IR PC CNT Carr_PC Incr_PC Introdução à arquitectura de microprocessadores - Carr_CNT ecr_cnt Código da instrução (bitsmaissignificativos do endereço na µ memória) New_val Bit_id [,] Update Código de instrução Fim de contagem (cnt_zero) Saídas para o exterior (sinais de controlo interno para os vários Sinais de Contador controlo ascendente para todos os blocos (, Carr_PC, Incr_PC, blocos) Carr_CNT, (bits ecr_cnt, menos significativos New_val, Bit_id [,], Update) do endereço na µ memória) L_front, L_back, R_front, R_back (para o controlo dos motores) µ memória

9 Banco da µmemóriaparaa instrução FRONT <val> Endereço (bin.) (5 bits mais significativos impostos pelo IR[4:]) Carr_CNT Incr_PC Update Carr_PC ecr_cnt Introdução à arquitectura de microprocessadores - Bit_id[] Bit_id[] New_value L_front R_back L_back R_front Endereço (hex.) H H H H 4H 5H 6H 7H 8H Instrução FRONT <val> Nova instrução Unidade de descodificação e controlo µprogramada Código da instrução (IR[..]) (bits de µ endereço mais significativos) Cond. A Cond. B Cond. C Cond. Cond. E Codificador Incr Carr Contador Introdução à arquitectura de microprocessadores - 4 µ memória Novo endereço (para saltar) (bits de µ endereço menos significativos) escodificador Sinais de controlo efinição das µinstruções para o P-LOGO escrição Inop... Nenhum sinal de controlo no estado activo... Carrega IR com o código de nova instrução Carr_PC... Carrega PC com um novo endereço Incr_PC... Incrementa o PC Carr_CNT... Carrega o CNT com o novo <val> ecr_cnt&l_front&r_front... eslocamento para a frente ecr_cnt&l_back&r_back... eslocamento para a trás ecr_cnt&l_back&r_front... Rotação à esquerda ecr_cnt&l_front&r_back... Rotação à direita Bit_id[,]=&New_value&Update&Incr_PC... Coloca OUT[] em Bit_id[,]=&New_value&Update&Incr_PC... Coloca OUT[] em Bit_id[,]=&New_value&Update&Incr_PC... Coloca OUT[] em Bit_id[,]=&New_value&Update&Incr_PC... Coloca OUT[] em Bit_id[,]=&Update&Incr_PC... Coloca OUT[] em Bit_id[,]=&Update&Incr_PC... Coloca OUT[] em Bit_id[,]=&Update&Incr_PC... Coloca OUT[] em Bit_id[,]=&Update&Incr_PC... Coloca OUT[] em Introdução à arquitectura de microprocessadores - 5 Implementação µmicroprogramada do P-LOGO Código da instrução (IR[4:]) (bits de µ end[7:]) IN[] IN[] IN[] IN[] Codificador Incr Carr MF[:] Contador (bits de µ end[:]) Introdução à arquitectura de microprocessadores - 6 µ memória Novo endereço (para saltar) bits bits bits, Carr_PC, Incr_PC, Carr_CNT, ecr_cnt, Bit_id[,], New_value, Update, L_front, L_back, R_front, R_back

10 Modos de funcionamento Codificador IN[] para o codificador Incr IN[] Como proceder para manter o µendereço actual? MF[] MF[] MF[] Incr Carr Modo de funcionamento para o contador Incrementa o endereço actual Carrega o novo endereço /CNT_ZERO CNT_ZERO Carrega se CNT_ZERO, senão incrementa CNT_ZERO /CNT_ZERO Carrega se /CNT_ZERO, senão incrementa /IN[] IN[] Carrega se IN[], senão incrementa /IN[] IN[] Carrega se IN[], senão incrementa /IN[] IN[] Carrega se IN[], senão incrementa /IN[] IN[] Carrega se IN[], senão incrementa Introdução à arquitectura de microprocessadores - 7 IN[] IN[] Carr MF[:] Conteúdo da posição 4H da µmemória para FRONT Código da instrução (IR[4:]) = FRONT µ memória (bits de µ end[7:] = ) Novo endereço (4H, já que bits_ µ end[7:] = ) Codificador Contador IN[] Incr = IN[] Carr = / IN[] IN[] (bits de µ end[:] = ) MF[:] = Endereço actual: 4H (bits_ µ end[7:] = ) Introdução à arquitectura de microprocessadores - 8 Sinais de controlo, da esquerda para a direita:, Incr_PC, Carr_PC, ecr_cnt, Carr_CNT, Update, Bit_id[,], New_value, L_front, L_back, R_front, R_back Conteúdo da posição 5H... Código da instrução (IR[4:]) = FRONT (bits de µ end[7:] = ) µ memória Novo endereço (H, já que bits_ µ end[7:] = ) Codificador Contador IN[] Incr = IN[] IN[] Carr = IN[] (bits de µ end[:] = ) MF[:] = Endereço actual: 5H (bits_ µ end[7:] = ) Introdução à arquitectura de microprocessadores - 9 Sinais de controlo, da esquerda para a direita:, Incr_PC, Carr_PC, ecr_cnt, Carr_CNT, Update, Bit_id[,], New_value, L_front, L_back, R_front, R_back Tabela para o descodificador de µinstruções µinstrução... Código de µinstrução (µir[4:]) Inop Carr_PC... Incr_PC... Carr_CNT... ecr_cnt&l_front&r_front... ecr_cnt&l_back&r_back... ecr_cnt&l_back&r_front... ecr_cnt&l_front&r_back... Bit_id[,]=&New_value&Update&Incr_PC... Bit_id[,]=&New_value&Update&Incr_PC... Bit_id[,]=&New_value&Update&Incr_PC... Bit_id[,]=&New_value&Update&Incr_PC... Bit_id[,]=&Update&Incr_PC... Bit_id[,]=&Update&Incr_PC... Bit_id[,]=&Update&Incr_PC... Bit_id[,]=&Update&Incr_PC... Introdução à arquitectura de microprocessadores - 4

11 Conteúdo da posição 4H da µmem com descodificador Código da instrução (IR[4:]) = FRONT µ memória (bits de µ end[7:] = ) Novo endereço (4H, já que bits_ µ end[7:] = ) Codificador Contador IN[] Incr = IN[] Carr = / IN[] IN[] (bits de µ end[:] = ) Conteúdo da posição 5H (com descodificador) Código da instrução (IR[4:]) = FRONT (bits de µ end[7:] = ) µ memória Novo endereço (H, já que bits_ µ end[7:] = ) Codificador Contador IN[] Incr = IN[] IN[] Carr = IN[] (bits de µ end[:] = ) MF[:] = Endereço actual: 4H (bits_ µ end[7:] = ) Introdução à arquitectura de microprocessadores - 4 escodificador ecr_cnt = L_front = R_front = Todososrestantes sinais de controlo em MF[:] = Endereço actual: 5H (bits_ µ end[7:] = ) Introdução à arquitectura de microprocessadores - 4 escodificador Todosossinais de controlo em Conclusão Objectivo principal do capítulo: Consolidar as noções básicas da arquitectura de uma unidade de processamento central e apresentar o conceito de microprocessador Pistas para a continuação do estudo: Microprocessadores de oito bits Arquitecturas mais avançadas (> 6 bits) Introdução à arquitectura de microprocessadores - 4