Sistemas Digitais (SD)
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- Cecília Back Sousa
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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 n Na aula anterior: u Projecto de máquinas de estados microprogramadas: l com endereçamento explícito l com endereçamento implícito u Exemplos 2
3 Planeamento SEMANA TEÓRICA 1 TEÓRICA 2 PROBLEMAS/LABORATÓRIO 15/Fev a 19/Fev Introdução Sistemas de Numeração 22/Fev a 26/Fev Álgebra de Boole Elementos de Tecnologia 29/Fev a 04/Mar Funções Lógicas Minimização de Funções P0 07/Mar a 11/Mar Minimização de Funções Def. Circuito Combinatório; Análise Temporal L0 14/Mar a 18/Mar Circuitos Combinatórios Circuitos Combinatórios P1 21/Mar a 25/Mar FÉRIAS DA PÁSCOA FÉRIAS DA PÁSCOA 28/Mar a 01/Abr Circuitos Combinatórios Circuitos Sequenciais: Latches L1 04/Abr a 08/Abr Circuitos Sequenciais: Flip-Flops Caracterização Temporal P2 11/Abr a 15/Abr Registos Contadores 18/Abr a 22/Abr Exercícios Teste 1 Síntese de Circuitos Sequenciais Síncronos 25/Abr a 29/Mai Síntese de Circuitos Sequenciais Síncronos Síntese de Circuitos Sequenciais Síncronos 02/Mai a 06/Mai Memórias Máq. Estado Microprogramadas: Circuito de Dados e Circuito de Controlo 09/Mai a 13/Mai Máq. Estado Microprogramadas: Circuitos de Controlo, Transferência e Microprograma Processamento de Dados de um Processador L2 P3 L3 P4 L4 16/Mai a 20/Mai 23/Mai a 27/Mai Lógica Programável P6 P5 P6 Revisões L5 3
4 Sumário n Tema da aula de hoje: u Circuitos de controlo, transferência e processamento de dados u Exemplo de uma arquitectura simples de um processador q Bibliografia: M. Mano, C. Kime: Capítulo 7 G. Arroz, J. Monteiro, A. Oliveira: Secções 8.2 a 8.3 4
5 Circuito de Dados e Circuito de Controlo n Circuito de Dados e Circuito de Controlo (Revisão) u Os sistemas digitais com alguma complexidade tornam-se difíceis de projectar como vulgares máquinas sequenciais síncronas, porque: l Diagramas de estados / tabela de estados de grande dimensão l Elevado número de: o Entradas, o Saídas, o Estados. Solução: organizar esses sistemas hierarquicamente, estabelecendo uma divisão entre: l l circuito de dados - dá suporte ao fluxo e à manipulação de dados; circuito de controlo - controla o circuito de dados. 5
6 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Entradas de controlo Saídas de controlo Operandos Unidade de controlo Palavra de controlo Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados u A partir de um certo nível de complexidade, os circuitos digitais podem ser divididos em dois módulos distintos: l l Circuito de dados ou unidade de processamento ou datapath; Circuito de controlo ou unidade de controlo 6
7 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Entradas de controlo Saídas de controlo Operandos Unidade de controlo Palavra de controlo Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados u 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.). u 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. 7
8 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Processamento e Unidade de Controlo Entradas de controlo Saídas de controlo Operandos Unidade de controlo Palavra de controlo Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados u 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: l Entradas de controlo, que controlam o funcionamento do sistema; l Bits de estado, provenientes do circuito de dados, com informação referente à última operação realizada pelo circuito de dados. 8
9 Exemplo n 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 u Sugestão: verifique, através de um par de inteiros (ex: 54 e 36) que o resultado é o esperado. 9
10 Exemplo n 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 10
11 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum Fluxograma Unidade de Processamento Controlo? 11
12 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Processamento Exemplo: mdc(54,36) 12
13 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum Fluxograma Unidade de Controlo 13
14 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Controlo: Unidade de Processamento: 14
15 n Problema: u 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 ê Esforço de desenvolvimento/implementação insustentável n Alternativa: u Utilização de unidades de processamento genéricas e não dedicadas à aplicação; u Utilização de unidades de controlo microprogramadas. 15
16 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Processamento Genérica 16
17 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n 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
18 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Processamento Genérica Unidade Lógica e Aritmética (ULA) 18
19 Unidade Lógica e Aritmética n Operações da unidade lógica e aritmética u A função realizada é definida por uma palavra de comando; u Várias codificações possíveis. S 4 S 3 S 2 S 1 S 0 Operação R A + B Soma 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 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 19
20 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Processamento Genérica 20
21 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Controlo Microprogramada u Características: l As saídas dependem apenas do estado actual Máquina de Moore l Em cada estado apenas é testada uma variável de entrada; l 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) 21
22 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Controlo Microprogramada 22
23 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Controlo Microprogramada u 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. 23
24 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Controlo Microprogramada 24
25 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n 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. 25
26 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Controlo Microprogramada u Exemplo: 26
27 Unidade de Processamento e Unidade de Controlo n Unidade de Controlo Microprogramada Cada palavra da ROM deverá conter os seguintes campos: NS PO TV CT u Ao conjunto de campos que especificam o funcionamento do controlador chama-se microinstrução; u Ao conjunto de microinstruções chama-se microprograma. 27
28 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Processamento Dedicada Unidade de Processamento Genérica 28
29 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum Fluxograma Descrição em linguagem RTL: Dados de entrada: R1, R2 Resultado: R2 (R3 = registo temporário) 29
30 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum Microprogamação: u u u u 5 estados 3 bits para codificar os endereços de controlo Como T1 pode ter 3 estados seguintes diferentes (um deles é incremental): l l 2 campos para endereço seguinte ES0 e ES1 2 bits para decidir entre os 3 estados seguintes possíveis Condições de salto: l inicio, em T0 l l l 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) 30
31 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum Unidade de Controlo: 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 31
32 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum End. ES0 ES1 SEL fim Op. ULA reg. A reg. B reg. dest XXX 10 1 XXXXX XX XX XX XXX XXX XXX XXX XX XXX XX 10 32
33 Exemplo n Exemplo: Maior Divisor Comum u Especificação da ROM: End. ES0 ES1 SEL fim Op. ULA reg. A reg. B reg. dest XXX 10 1 XXXXX XX XX XX XXX XXX XXX XXX XX XXX XX 10 End. ROM 0h h h h h u Dimensão da ROM: l 5 endereços, palavras de 20 bits 100 bits 33
34 Próxima Aula n Tema da Próxima Aula: u Lógica programável: l ROM l PLA l PAL l FPGA u Linguagens de descrição de hardware l VHDL 34
35 Agradecimentos Algumas páginas desta apresentação resultam da compilação de várias contribuições produzidas por: l Nuno Roma l Guilherme Arroz l Horácio Neto l Nuno Horta l Pedro Tomás 35
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