SISTEMAS DIGITAIS (SD)

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1 SISTEMAS DIGITAIS (SD) MEEC Acetatos das Aulas Teóricas Versão Português Aula N o 23: Título: Sumário: Máquinas de Estado Microprogramadas: Circuitos de Controlo, Transferência e Processamento de Dados Circuitos de, transferência e processamento de dados; Exemplo de uma arquitectura simples de um processador. 2013/2014 [email protected]

2 Sistemas Digitais (SD) Máquinas de Estado Microprogramadas: Circuitos de Controlo, Transferência e Processamento de Dados Entradas de Saídas de Unidade de Palavra de Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados Operandos Aula Anterior Na aula anterior: Projecto de máquinas de estados microprogramadas: com endereçamento explícito com endereçamento implícito Exemplos Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 2

3 Plano SEMANA TEÓRICA 1 TEÓRICA 2 PROBLEMAS/LABORATÓRIO 16/Set a 21/Set Introdução Sistemas de Numeração e Códigos 23/Set a 28/Set Álgebra de Boole Elementos de Tecnologia P0 30/Set a 5/Out Funções Lógicas Minimização de Funções Booleanas (I) L0 7/Out a 12/Out Minimização de Funções Booleanas (II) Def. Circuito Combinatório; Análise Temporal P1 14/Out a 19/Out Circuitos Combinatórios (I) Codif., MUXs, etc. Circuitos Combinatórios (II) Som., Comp., etc. L1 21/Out a 26/Out Circuitos Combinatórios (III) - ALUs Circuitos Sequenciais: Latches P2 28/Out a 2/Nov Circuitos Sequenciais: Flip-Flops Ling. de Descrição e Simulação de HW (ferramentas disponíveis no laboratório) 4/Nov a 9/Nov Caracterização Temporal Registos P3 11/Nov a 16/Nov Revisões Teste 1 Contadores L3 18/Nov a 23/Nov 25/Nov a 30/Nov 2/Dez a 7/Dez 9/Dez a 14/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 L2 P4 L4 P5 L5 (1ª Parte) 16/Dez a 20/Dez P6 P6 L5 (2ª Parte) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 3 Sumário Tema da aula de hoje: Circuitos de, 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 2013/14 4

4 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 - controla o circuito de dados. Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 5 Unidade de Processamento e Unidade de Processamento e Entradas de Saídas de Unidade de Palavra de 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 ou unidade de Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 6

5 Unidade de Processamento e Unidade de Processamento e Entradas de Saídas de Unidade de Palavra de 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 2013/14 7 Unidade de Processamento e Unidade de Processamento e Entradas de Saídas de Unidade de Palavra de Bits de estado (flags) Unidade de processamento Resultados Operandos A unidade de é responsável por gerar os sinais de (palavra de ) 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, 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 2013/14 8

6 Exemplo 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 2013/14 9 Exemplo 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 2013/14 10

7 Exemplo Unidade de Processamento Exemplo: mdc(54,36) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 11 Exemplo Fluxograma Unidade de Processamento Controlo? Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 12

8 Exemplo Fluxograma Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 13 Exemplo : Unidade de Processamento: Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 14

9 Problema: A síntese de circuitos de processamento e de 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 microprogramadas. Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 15 Unidade de Processamento e Unidade de Processamento Genérica Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 16

10 Unidade de Processamento e 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 2013/14 17 Unidade de Processamento e Unidade de Processamento Genérica Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 18

11 Unidade Lógica e Aritmética Operações da unidade lógica e aritmética A função realizada é definida por uma palavra de comando; 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 Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 19 Unidade de Processamento e Unidade de Processamento Genérica Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 20

12 Unidade de Processamento e 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 2013/14 21 Unidade de Processamento e Microprogramada Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 22

13 Unidade de Processamento e 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 2013/14 23 Unidade de Processamento e Microprogramada Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 24

14 Unidade de Processamento e 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 2013/14 25 Unidade de Processamento e Microprogramada Exemplo: Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 26

15 Unidade de Processamento e 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 2013/14 27 Exemplo Unidade de Processamento Dedicada Unidade de Processamento Genérica Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 28

16 Exemplo Fluxograma Descrição em linguagem RTL: Dados de entrada: R1, R2 Resultado: R2 (R3 = registo temporário) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 29 Exemplo Microprogamação: ES0 ES1 SEL fim Operação ULA Reg A Reg B dest R/W 5 estados 3 bits para codificar os endereços de 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 (Sel) 1 bit para saída de (fim) Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 30

17 Exemplo : 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 2013/14 31 Exemplo 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 2013/14 32

18 Exemplo 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 2013/14 33 Próxima Aula Tema da Próxima Aula: Lógica programável: ROM PLA PAL FPGA Linguagens de descrição de hardware VHDL Prof. Nuno Roma Sistemas Digitais 2013/14 34

19 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 2013/14 35