Control Monociclo

7/22/2019 Control Monociclo

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Arquitectura de ordenadores.Control monociclo.1

ARQUITECTURA DE ORDENADORES

Control de un Camino de DatosMonociclo


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Visin general del tema

Seales de control

Control para instrucciones tipo R y Or Immediato

Seales de Control para Carga, almacenamiento y salto

Construccin de un controlador local : Control ALU

El controlador principal


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Formato de instrucciones MIPS

Todas las instrucciones MIPS tienen 32 bits de longitud. Los tresformatos de instrucciones son:

Tipo-R

Tipo-I

Tipo-J

Los campos son:

op: Operacin de la instruccin.

rs, rt, rd: Registros fuente y destino.

shamt: Desplazamiento.

funct: Selecciona las variantes de la operacin del campo op.

direccin / immediato: Direccin de desplazamiento o valor inmediato.

Direccin destino: direccin de destino en las instrucciones de salto.

op Direccin destino

02631

6 bits 26 bits

op rs rt rd shamt funcin

061116212631

6 bits 6 bits5 bits5 bits5 bits5 bits

op rs rt inmediato016212631

6 bits 16 bits5 bits5 bits


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EL subconjunto de instrucciones MIPS

ADD y SUB

addU rd, rs, rt

subU rd, rs, rt

OR Immediato:

ori rt, rs, imm16

LOAD y STORE Word

lw rt, rs, imm16

sw rt, rs, imm16

SALTO:

beq rs, rt, imm16

op rs rt rd shamt funct

061116212631


op rs rt immediato

016212631


op rs rt immediato

016212631


op rs rt immediato

016212631



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Operando destino


061116212631


op rs rt immediato

016212631


INSTRUCCIONES TIPO R

El operando destino se encuentra en las posiciones 15-11(campo rd)

INSTRUCCIN DE CARGA

El registro destino se encuentra en las posiciones 20-16

(campo rt)

Se necesir un multiplexor para seleccionar el campo de la instruccin que

indique el nmero de registro donde se va a escribir


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Un camino de datos monociclo

PCInstruction [2016]

Instruction [2521]

Add

4

16 32Instruction [150] Sign

extend

ALUresult

Zero

Mux

Mux

Mux

MuxInstruction [1511]

Shiftleft 2

ALU

Add ALUresult

Leer

direccin

Instruccin[31-0 ]

Memoria deinstrucciones

Leer

Registro 1

Leer

Registro 2

EscribirRegistro

Escribir

dato

Lectura

Dato 1

LecturaDato 2

REGISTROS

Leer/escribirDireccinLectura

dato

Escribir

Dato


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Los cinco componentes clsicos de un ordenador

Diseo del control de un procesador monociclo

CONTROL

Caminode datos

Memoria

ProcesadorEntrada

Salida


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Un camino de datos monociclo ( Seales de control)

MemtoReg

MemRead

MemWrite

ALUOp

ALUSrc

RegDst

PCInstruction [2016]

Instruction [2521]

Add

Instruction [50]

RegWrite

4

16 32Instruction [150]

0

Sign

extend

ALUresult

Zero

Mux

1

1

Mux

0

1

Mux

0

1

Mux

0Instruction [1511]

ALU

control

Shiftleft 2

PCSrc

ALU

Add ALUresult

Leer

direccin

Instruccin[31-0 ]

Memoria deinstrucciones

Leer

Registro 1

Leer

Registro 2

EscribirRegistro

Escribir

dato

Lectura

Dato 1

LecturaDato 2

REGISTROS

Leer/escribirDireccinLectura

dato

Escribir

Dato


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nombre de laseal Efecto con seal desasertada Efecto con seal asertada

MemRead NingunoEl contenido de la memoria de datos de ladireccin de lectura se pone en la salida Lect. dato

MemWrite Ninguno

El contenido de la memoria de datos de la

direccin dada por la direccin de escritura essustituido por el valor de en la entrada Escribirdato

ALUSrcEL Segundo operando de la ALUproviene de la segunda salida delarchivo de registros

EL Segundo operando de la ALU est formado porlos 16 bits inferiores de signo extendido de lainstruccin

RegDst El n de registro destino para Escribirregistro proviene del campo rt El registro de la entrada Escribir registro seescribe con el valor en la entrada de Escribir dato.

RegWrite Ninguno.El registro en la entrada escribir registro se escribecon el valor de la entrada de Escribir registro

PCSrc

El PC es sustituido por la salida del

sumador que calcula el valor dePC+4.

El PC es sustituido por la salida del sumador quecalcula el destino del salto

MemtoRegEl valor conectado a la entradaEscribir dato del registro proviene dela ALU

El valor conectado a la entrada Escribir dato delregistro proviene de la memoria de datos

Funcin de las seales de control


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instruccin RegDst ALUSrc MentoReg RegWrite MemRead MemWrite Branch

Tipo R 1 0 0 1 0 0 0

lw 0 1 1 1 1 0 0

sw x 1 x 0 0 1 0

beq x 0 x 0 0 0 1

Valores iniciales de las seales de control


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La instruccin Add

add rd, rs, rt

mem[PC] * Extraer la instruccinde memoria

R[rd]


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Extraccin de la instruccin y comienzo de Add

Extraccin de una instruccin de memoria: Instruccin


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Fase de ejecucin: Lectura de los registros fuente

P C

Instruct ion

memory

R e a d

address

Instruct ion

[31 0]

Ins t ruction [20 16]

Inst ruction [25 21]

A dd

Inst ruct ion [5 0]

MemtoReg

A LUO p

MemWr i t e

RegWri te

M e m R e a d

Branch

RegDs t

A LUS rc


4

1 6 3 2Inst ruction [15 0]

0

0M

u

x

0

1

Cont rol

Ad d A LU

result

M

u

x

0

1

Regis ters

W rite

register

W rite

data

Read

data 1

Read

data 2

R e a d

register 1

R e a d

register 2

S ign

extend

M

u

x

1

A LU

resul t

Zero

P CS rc

Data

mem oryWrite

data

Read

dataM

u

x

1


A LU

cont rol

Shif t

left 2

A L U

Address


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Fase de final: Escritura del resultado

PC

Instructionmemory

Readaddress

Instruction[310]

Instruction [20 16]

Instruction [25 21]

Add

Instruction [5 0]

MemtoReg

ALUOp

MemWrite

RegWrite

MemRead

Branch

RegDst

ALUSrc

Instruction [31 26]

4

16 32Instruction [15 0]

0

0Mux

0

1

ALUcontrol

Control

Shiftleft 2

Add ALUresult

Mux

0

1

RegistersWriteregister

Writedata

Readdata 1

Readdata 2

Read

register 1

Readregister 2

Signextend

Mux

1

ALUresult

Zero

Datamemory

Writedata

Readdata

Mux

1

Instruction [15 11]

ALU

Address


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Control

ALUctrRegDst ALUSrcExtOp MemtoRegMemWr Zero

Instruccion

Imm16RdRsRt

PCsrc

Memoriade instruc.

CAMINO DE DATOS

Control

Op

Fun

RegWr


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Resumen de las seales de control

op Direccin destino


061116212631

op rs rt inmediatoTipo-RTipo-I

Tipo-J

add, subori, lw, sw, beq

jump

ENTRADA CONTROL ALU FUNCIN000 AND001 OR010 SUMA110 RESTA

111 INICIALIZAR SOBRE MENOR


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La codificacin de ALUop

En nuestro caso, ALUop tiene dos bits que representan:

IInstrucciones tipo-R

Instrucciones Tipo-I que requieren la ALU para realizar:

- Suma y Resta

Control

principal

op

6

ALUControl(Local)

func

2

6

ALUop

ALUctr

3


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Decodificacin del campo Func

Tipo-R lw sw beq

ALUop (Symbolic) Tipo-R Suma Suma Resta

ALUop 10 00 00 01

ControlPrincipal

op

6

ControlALU

(Local)

func

2

6ALUop

ALUctr

3


061116212631

Tipo-R

ALUctr

ALU

funct Operacin Instruccion

10 0000

10 0010

10 0100

10 0101

10 1010

suma

resta

and

or

Inicializar-sobre-menor

ALUctr Operacin ALU

000

001

010

110

111

or

suma

resta

Inicializar sobre menor

and


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Tabla de verdad para ALUcrt

Tipo-R lw sw beqALUop (Symbo.) Tipo-R Suma Suma Resta

ALUop 10 00 00 01

funct Operacin Instruccion10 0000

10 0010

10 0100

10 0101

10 1010

suma

resta

and

or

Inicializar-sobre-menor

ALUOp Cdigo funcinALUOp1 ALUOp0 F5 F4 F3 F2 F1 F0

Entrada controlALU

0 0 X X X X X X 010

X 1 X X X X X X 110

1 X X X 0 0 0 0 010

1 X X X 0 0 1 0 110

1 X X X 0 1 0 0 0001 X X X 0 1 0 1 001

1 X X X 1 0 1 0 111


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Ecuacin lgica para ALUctr

ALUop funcbit bit bit bit bitbit ALUctr

x 1 x x x x 1

1 x 0 0 1 0 1

1 x 1 0 1 0 1

ALUctr = ALUop +

( ALUop * !func * func * !func )

Esto hace que el valor de func no influya


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El bloque de control de la ALU

ALUControl(Local)

func

2

6ALUop

ALUctr

3

ALUctr = ALUop + ( ALUop * func )

ALUctr = !ALUop + !func

ALUctr = ( ALUop * func ) + ( ALUop * func)


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Bloque de control de la ALU


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La tabla de verdad del Control principal

Tipo-R lw sw beqop5 0 1 1 0

op4 0 0 0 0

op3 0 0 1 0

op2 0 0 0 1

op1 0 1 1 0

Entradas

op0 0 1 1 0

RegDst 1 0 x x

ALUSrc 0 1 1 0

MenToReg 0 1 x x

RegWrite 1 1 0 0

MemRead 0 1 0 0

MenWrite 0 0 1 0

Branch 0 0 0 1ALUOp1 1 0 0 0

Salidas

ALUOp2 0 0 0 1


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Implementacin del Control Principal

. . . .op

.op

.op

.op

.

R-tipo lw sw beqRegWrite

ALUSrc

MemtoReg

MemWrite

Branch

RegDst

MemRead

ALUop1

ALUop0


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Limitaciones de la implementacin en un solo ciclo

Todas las instrucciones tardan el mismo tiempo enejecutarse.

El tiempo de ejecucin viene definido por el tiempoque tarda en ejecutarse la instruccin ms lenta.

La situacin se agrava si consideramos operaciones

ms complejasLo habitual es que slo haya un mdulo de memoria ->Ms de un ciclo para completar la instruccin


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Camino de datos monociclo => CPI=1, ciclo => largo

5 pasos para el diseo de un procesador

1. Analizar el repertorio de instrucciones =>

requerimientos del camino de datos 2. Seleccionar el conjunto de elementos del camino de

datos y establecer una metodologa de pulsos de reloj

3. Ensamblar el camino de datos teniendo en cuenta losrequerimientos

4. Analizar la implementacin de cada instruccin paradeterminar los puntos de control que afectan a la

transferencia entre registros. . 5. Ensamblar la lgica de control.

Resumen


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Resumen

El control es la parte ms complicada

MIPS hace que el control sea ms sencilloLas instrucciones tienen el mismo tamao

Los registros fuente estn siempre en el mismo lugar

Los valores inmediatos tienen el mismo tamao y se encuentran enel mismo lugar

Las operaciones son siempre entre registro o con valores

inmediatos

Control

Camino dedatos

Memoria

ProcesadorEntrada

Salida

Control Monociclo

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