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ContenidoIntroduccion

La Maquina de un CicloMaquina Multiciclo

La Unidad de Control y el Camino de Datos

Prof. Rodrigo Araya [email protected]

Universidad Tecnica Federico Santa MarıaDepartamento de Informatica

Valparaıso, 1er Semestre 2006

RAE La Unidad de Control y el Camino de Datos



1 Introduccion

2 La Maquina de un Ciclo

3 Maquina Multiciclo




Introduccion

Veremos el diseno completo de un subconjunto de la MaquinaMIPS.

Las instrucciones de este subconjunto son:

lw, swadd, sub, and, or, sltbeq, j

Comenzaremos por un modelo simple que considera un relojde un solo ciclo y posteriormente veremos un diseno con relojde multiples ciclos.




La Maquina de un Ciclo

¿Que significa una Maquina de un ciclo?

Las etapas generales en la ejecucion de una instruccion son:

IF: Fetch de instruccion.

ID: Decodificacion y Fetch de registros.

EX: Ejecucion y calculo de la direccion efectiva.

MEM: Acceso a la memoria en lectura o escritura.

WB: Escritura de Registros en el archivo de registros.




La maquina de un ciclo

En una Maquina de un solo ciclo todas estas etapas ocurrendentro de un ciclo de reloj:

Para que esto sea posible se requiere separar la memoria en:

Memoria de datos.Memoria de instrucciones.




Diagrama General de la Maquina




Fetch e incremento de PC




Formatos de instrucciones

¿De que manera interviene el tipo de instruccion en el Camino deDatos?

Instruccion tipo R.




Formatos de instrucciones

Instruccion tipo I.




Instruccion tipo R

Elementos para implementar insrucciones ALU tipo R.




Instruccion tipo R

Camino de datos simple para una instruccion tipo R.




Instruccion tipo I

Elementos para implementar insrucciones Load y Store detipo I.




Instruccion tipo I

Camino de datos simple para instrucciones Load y Store.




Instrucciones de Salto Condicional

Se usa la ALU para evaluar la condicion del salto y otra ALUpara el calculo de direccion de salto (target) relativo al PC.




Camino de Datos

Combinacion del Camino de Datos para instrucciones ALUtipo R e instrucciones de carga y almacenamiento.

Se incluyen ademas las lineas de control.




Camino de Datos

Se agrega la parte del Fetch al Camino de Datos anterior.




Camino de Datos

Camino de datos para una Maquina de un Ciclo.




Control de la ALU




Control de la ALU

Tabla logica para el control de la ALU:

opcode ALUOp Instruccion func Accion Control ALU

lw 00 lw x....x suma 010sw 00 sw x....x suma 010beq 01 beq x....x resta 110R 10 + 100000 + 010R 10 - 100010 - 110R 10 and 100100 and 000R 10 or 100101 or 001




Control de la ALU

Ecuaciones para el control de la ALU

OP2 = ALUop0 + ALUop1 · F1

OP1 = ALUop1 + F2

OP0 = ALUop1 · (F0 + F3)




Control de la ALU

Circuito para el control de la ALU




Control de la ALU

Camino de datos con el control para la ALU.




Camino de Datos

Camino de datos con la Unidad de Control.




Lineas de Control

El primer paso de una instruccion tipo R es un fetch deinstruccion y un incremento del PC.

Instruccion RegDst ALUSrc MemtoReg

Write MemRead

MemWrite

Branch ALUOp1 ALUOp1

R-format 1 0 0 1 0 0 0 1 0

lw 0 1 1 1 1 0 0 0 0

sw X 1 X 0 0 1 0 0 0

beq X 0 X 0 0 0 1 0 1




Ejecucion de Instrucciones

El primer paso de una instruccion tipo R es un fetch deinstruccion y un incremento del PC.





El segundo paso es leer los dos registros del archivo deregistros.





El tercer paso involucra la ejecucion de instrucciones tipo Rque se realizan en la ALU.





El paso final de una instruccion tipo R involucra escribir elresultado.





La operacion de una instruccion load.





El Camino de Datos activo para una instruccion beq (branchequal).





El Control y Camino de Datos se extienden para manejar lainstruccion j (jump).




La Unidad de Control

Unidad de Control para la maquina de un ciclo.

Entradas

Senal Tipo R lw sw beq

OP5 0 1 1 0

OP4 0 0 0 0

OP3 0 0 1 0

OP2 0 0 0 1

OP1 0 1 1 0

OP0 0 1 1 0

→

Salidas

Senal Tipo R lw sw beq

Regdest 1 0 x x

ALUSrc 0 1 1 0

MemtoReg 0 1 x x

RegWrite 1 1 0 0

MemRead 0 1 0 0

Memwrite 0 0 1 0

Branch 0 0 0 1

ALUOp1 1 0 0 0

ALUOp0 0 0 0 1




La Unidad de Control

Unidad de Control para la maquina de un ciclo.




Desempeno de la Maquina de un Ciclo

Para estimar el desempeno, asumiremos lo siguiente:

Tiempos asociados

Unidades de Memoria = 2nsegALU = 2nsegArchivo de Registros = 1nsegMuxs, compuertas,.... = 0 nseg

Existen dos alternativas para el reloj:

Cada instruccion toma un ciclo de tiempo fijo.Cada instruccion se ejecuta en un ciclo pero de tiempovariable, es decir ocupa el tiempo que necesita.




Tiempos crıticos para las instrucciones

Etapas de cada instruccion

Clase

Tipo R IF ID EX WB

lw IF ID EX MEM WB

sw IF ID EX MEM

beq IF ID EX

j IF

Calculo de tiempos

Clase IF ID EX MEM WB TOTAL

Tipo R 2 1 2 0 1 6ns

lw 2 1 2 2 1 8ns

sw 2 1 2 2 7ns

beq 2 1 2 5ns

j 2 2ns




Discusion

La alternativa de ciclo fijo es ineficiente y ademas viola unprincipio de diseno: hacer los casos frecuentes rapidos.

Tecnicamente no se puede construir un reloj de ciclo variable

La solucion es descomponer la ejecucion de una instruccion enuna secuencia de etapas.

Esta implementacion se denomina Multiciclo.




Discusion

La implementacion Multiciclo tiene ventajas adicionales: esposible usar unidades funcionales mas de una vez porinstruccion.

Se utiliza: una memoria, una ALU simple.

Se agregan registros a las unidades funcionales para mantenersu valor cuando las entradas estan cambiando.




Maquina Multiciclo

Esquema basico de la maquina multiciclo.




Maquina Multiciclo

Manejo de instrucciones basicas.




Maquina Multiciclo

Camino de datos con lineas de control.




Maquina Multiciclo

Camino de datos con unidad de control.




Ejecucion de operaciones en una Maquina Multiciclo

La ejecucion de instrucciones se realizara en varios ciclos de reloj,por lo que:

La senal calculada en un ciclo, se utilizara en el ciclo siguiente.

Cada paso se restringe a solo un acceso al archivo deregistros, un acceso a la memoria, y una operacion en la ALU.

Se identifican 5 pasos para la ejecucion de instrucciones.




Pasos para la ejecucion de instrucciones

Paso 1: Fetch de instruccion.

IR = Memoria[PC]PC = PC+4

Paso 2: Decodificacion de Instruccion y fetch de registros.

A = Registro[IR[25-21]] (rs)

B = Registro[IR[20-16]] (rt)

ALUOut = PC + (ext signo(IR[15-0])<<2)





Paso 3: Calculo de la direccion de memoria, o terminacion delsalto.En este paso las acciones dependen del tipo de instruccion que seesta ejecutando.

Referencia a MemoriaALUOut = A + ext signo (IR[15-0])

Aritmetica tipo RALUOut = A op B

Branchif ( A == B) PC = ALUOut

JumpPC = PC[31-28] | (IR[25-0] <<2)





Paso 4: Acceso a memoria, o terminacion de la instrucciontipo R.

Referencia a Memoria

si es lw:MDR = Memoria[ALUOut]o, si es sw:Memoria[ALUOut] = B

Instruccion Aritmetica tipo RRegistro[IR[15-11]] = ALUOut





Paso 5: Escritura desde memoria al archivo de registros. Secompleta la instruccion lw, cargando el valor de memoria en unregistro.

Registro[IR[20-16]] = MDR





Tipo R Referencias a memoria Branch Jump

PASO 1 IR=Memoria[PC]PC=PC+4

PASO 2 A=Registro[IR[25-21]]B=Registro[IR[20-16]]

ALUOut=PC+(ext signo(IR[15-0])<<2)

PASO 3 ALUOut = A op B ALUOut = A +ext signo(IR[15-0])

if(A==B) PC= ALUOut

PC = PC[31-28] |(IR[25-0] << 2)

PASO 4 Registro[IR[15-11]] =ALUOut

MDR= Memoria[ALUOut]o Memoria[ALUOut]=B

PASO 5 Registro[IR[20-16]] =MDR




Control del Multiciclo




Control estados: Fetch y Decodificacion




Control estados: Referencia Memoria




Control estados: Tipo R




Control estados: Bifurcacion Beq




Control estados: Jump




Control del Multiciclo




Controlador de estados finitos




Controlador Microprogramado




Observaciones

El control microprogramado se parece a un computador:

estados: direcciones de instrucciones.Las palabras de control son microinstrucciones.El registro de estado es el microPC.

Se puede usar un Assembler de microcodigo para codificarsecuencias de microinstrucciones.

Como un microprograma es una representacion abstracta delcontrol, hay una gran flexibilidad en la forma de traducir elmicroprograma en micro-operaciones.




Fin...

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