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ELETTRONICA DIGITALE (2^ Parte ) (9)

ELETTRONICA DIGITALE (2^ Parte ) (9). 10/1/2011 Struttura del processore. Struttura del Processore. Modello Generale. Modello di Processore. Modello di Processore.

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ELETTRONICA DIGITALE (2^ Parte ) (9)

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  1. ELETTRONICA DIGITALE (2^ Parte) (9) 10/1/2011 Struttura del processore Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  2. Struttura del Processore Modello Generale Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  3. Modello di Processore Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  4. Modello di Processore • È il modello di processore sincrono, basato sulla distinzione tra unità di calcolo e di controllo. • È uno schema di base ed essenziale, in generale non è il più efficiente possibile, ma in linea di principio è adatto a eseguire qualunque insieme di istruzioni macchina • Può eseguire una sola istruzione macchina per volta(è un modello sequenziale, non parallelo). • In generale, per eseguire un’istruzione macchina impiega uno o (spesso) più cicli di clock, secondo: • Numero di parole dell’istruzione macchina • la complessità computazionale dell’istruzione macchina • la potenza computazionale dell’unità di calcolo Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  5. Unità Componenti • Unità di Calcolo (o data path) • esegue l’istruzione macchina e i calcoli in essa contenuti • prepara gli indirizzi di memoria (o di I / O) e legge o scrive datida o in memoria (o da o su porta di I / O) • Unità di Controllo (o control path) • esamina e interpreta l’istruzione macchina • pilota l’unità di calcolo e l’interfaccia di bus • riceve dall’unità di calcolo o dall’interfaccia di bus segnalidi condizione vari, indicanti situazioni specifiche • Interfaccia di Bus • interagisce con il bus esterno e il resto del calcolatore • svincola le unità di calcolo e controllo dai dettaglidel protocollo di bus del calcolatore • (volendo, l’interfaccia di bus sarebbe riassorbibile nelle altre due Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  6. Comunicazione tra Unità • Da unità di controllo a unità di calcolo: • ordini: comandi per eseguire l’istruzione macchina • Da unità di controllo a interfaccia di bus: • ordini: comandi di bus implicati dall’istruzione macchina(lettura da memoria, scrittura in memoria, ecc) • riscontri: segnalazioni di bus relative all’andamento dell’operazione di memoria (attesa, ecc) • Da unità di calcolo a unità di controllo: • istruzione macchina: codice operativo dell’istruzione macchina ed eventualmente altri elementi dell’istruzione stessa necessari per interpretarla compiutamente • esiti (codici di condizione): bit di esito e altri segnali utili per determinare il modo di esecuzione dell’istruzione macchina • Da unità di calcolo a interfaccia di bus: • Indirizzi e scambio dati con I/O e memorie Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  7. Struttura del Processore Unità di Calcolo Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  8. Unità di Calcolo e Controllo a un Bus Interno • Si fa riferimento a una CPU generica e a una memoria centrale con parole da 32 bit (ma conpochi cambiamenti tutto vale anche per 16 bit). • Registri interni dell’unità di calcolo: • PC (contatore di programma) • MAR (indirizzo di accesso a memoria o porta di I / O) • MDR (lettura e scrittura in memoria o porta di I / O) • IR (contiene l’istruzione macchina in esecuzione) • R0, …, Rn1 (banco dei registri di uso generale) • TEMP, V, Z (registri ausiliari, non visibili esternamente) • (volendo si può aggiungere il registro SP, e altri ancora) • Unità di controllo: • cablata (o dedicata) • microprogrammata Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  9. Unità di Calcolo a un Bus Interno È la struttura base di unità di calcolo e trova ampio uso in numerosi processori.Con meno di così sarebbe difficile svolgere i compiti essenziali di solito richiesti al processore. Ammette varianti strutturali e versioni più efficienti, ma in ogni caso è un oggetto fondamentale, che va conosciuto e ricordato. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  10. Operazioni elementari • Leggere un registro e scrivere il contenuto in un altro registro o all’ALU • Calcolare un’operazione logica/aritmetica con l’ALU e scrivere il risultato in un registro • Leggere una posizione di memoria e scrivere il contenuto in un registro interno • Scrivere in una posizione di memoria il contenuto di un registro interno Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  11. Sequenza di Controllo (1) • La sequenza di controllo per eseguire un’istruzione macchina è composta da uno o più passi di controllo, uno per ogni ciclo di clock del processore. • L’esecuzione complessiva dell’istruzione macchina si divide in tre fasi, a loro volta costituite da una sotto-sequenza di passi di controllo: • prelievo (fetch) • decodifica o interpretazione (decode) • esecuzione e sequenziamento (execute) • A ogni passo di controllo vengono generati gli ordini (attivi in parallelo) che pilotano l’unità di calcolo. • L’effetto complessivo degli ordini è quello di svolgere per intero l’istruzione macchina. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  12. Sequenza di Controllo (2) • Esempi di ordini: • lettura di un registro (dal registro al bus interno): R0out • scrittura su un registro (dal bus interno al registro): R1in • operazione della ALU: add, sub, and, or, cmp, … • lettura e scrittura su memoria (o su I / O): read, write • Ordini mutuamente esclusivi: • lettura da registro: il contenuto di un solo registro alla volta può essere portato sul bus interno • operazione di ALU ...... c’è una sola ALU ! • Ecco un esempio semplice. Con prelievo già fatto,si consideri l’istruzione macchina seguente (a 32 bit): • MOVE.L R0, R1 (interpretazione RTL: R1  R0) • per eseguirla, gli ordini da dare sono: R0out, R1in Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  13. Sequenza di Controllo Completa • Si consideri l’istruzione macchina seguente (somma contenuti R0 e R1, risultato in R1): • ADD R0, R1 -- R1 R0  R1 • Fase di prelievo (è identica per tutte le istruzioni): • PCout, MARin, read, select 4, Zinadd -- Z PC  4, leggi mem. • Zout, PCin, Vin, WMFC (Wait for Mem Funct Compl) -- PC e V  Z, attendi fine • MDRout, IRin -- IR  MDR • Fase di decodifica o interpretazione: • decodifica l’istruzione macchina (non occorrono ordini, la decodifica è automatica non appena la parola di opcode viene scritta in IR) • se l’istruzione macchina è codificata su più parole, leggi anchele parole di memoria aggiuntive e riaggiorna il PC (qui ev. ordini) • Fase di esecuzione: • R0out, Vin -- V  R0 • R1out, add, Zin -- Z  R1  V • Zout, R1in, end -- R1  Z, e poi torna a fase di prelievo Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  14. Collegamento tra Registri e Bus Attenzione: dato che il bus interno è unico, solo un dato può essere trasferito in un passo di controllo. Per trasferire più dati, occorrono più passi. Idem, una sola operazione aritmetica-logica per passo. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  15. Struttura di un Registro Interno singolo flip-flop, con porta di lettura e scrittura verso il bus interno un generico registro interno, dotato di porta di lettura e scrittura, è una schiera di flip-flop come quello mostrato sopra, pilotati in parallelo Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  16. Registro MDR gli ordini MDRoutE e MDRinE sono implicati dagli ordini write e read, rispettivamente, e pertanto si possono omettere Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  17. Accesso a Mem. o a Unità di I / O • Segnale MFC (Memory Function Completion), Riscontro di completamento dell’operazione, è attivato dall’unità slave (qui la memoria)e indica il completamento dell’operazione: • per esempio in lettura indica che la memoria ha emesso il dato e che questo, tramite il bus esterno, ha raggiunto MDR • Ordine WMFC (Wait for MFC): esso “blocca” l’avanzamento dei passi di controllo finché il processore non ha ricevuto MFC. • Lettura da memoria: si può usare il registro MDR solo a partire dal passo successivo a quello associato a WMFC.In generale dunque l’ordine WFMC va dato nel passo precedente a quello dove si utilizza il registro MDR. • Scrittura in memoria: in generale l’ordine WMFC va dato nello stesso passo dove si dà l’ordine di write. • Idem per accedere a unità di I / O (interfaccia periferica). Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  18. Clock e Temporizzazione (1) • Si suppone che il passo di controllo duri un ciclo di clock(salvo eccezioni, si veda di seguito). • Il passaggio da un ciclo di clock a quello successivo è demarcato dal fronte di salita del clock (dunque idem per il passo). • L’unità di controllo dà gli ordini all’inizio del passo di controllo. • Gli ordini si propagano durante il passo e vengono attuati dall’unità di calcolo e dall’interfaccia di bus. • Eventualmente l’unità di calcolo o l’interfaccia di bus mandano all’unità di controllo, durante il passo, segnali di esito o riscontri di bus, che l’unità di controllo interpreta per condizionare l’esecuzione del passo di controllo stesso, o di quelli successivi. • I risultati prodotti dalle operazioni svolte durante il passo raggiungono la rispettiva destinazione, e vengono quivi memorizzati, verso la fine del passo. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  19. Clock e Temporizzazione (2) • L’emissione del contenuto corrente di un registro (sul bus interno o esterno) avviene all’inizio del passo. • La memorizzazione di un nuovo contenuto in un registroavviene alla fine del passo. • L’idea è che: • all’inizio del passo si leggono valori dai registri sorgente • durante il passo questi si propagano, eventualmente passano per la ALU e quivi vengono elaborati • e alla fine del passo si scrivono i risultati nei registri destinazione • L’ordine WMFC prolunga il passo corrente di uno o più cicli di clock, fino a quando non sia arrivato il segnale MFC. • Il passo prolungato è come congelato e viene portato a compimento nel ciclo di clock in cui arriva il segnale MFC. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  20. prolungamento del passo 2 memoria tardadi due cicli Clock e Temporizzazione (3) diagramma temporale Operazione di letturada memoria: 1) …, MARin, read 2) MDRoutE, WMFC 3) MDRout, … Nota: l’ordine MDRoutEsi può omettere(è implicato da read). Si suppone che MFC tardi di due cicli. Diagramma temporale simile per la scrittura. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  21. Esempi di altre Istruzioni Macchina (supponendo di avere già prelevato e scritto in IR la paroladi codice operativo – la parola aggiuntiva, se c’è, va gestita) MOVE (R0), R1 (istruzione codificata su una sola parola) • R0out, MARin, read -- MAR  R0, leggi mem. • WMFC -- attendi fine lettura • MDRout, R1in, end -- R1  MDR, e poi torna a prelievo MOVE #VALORE, R1 (istruzione codificata su due parole) • PCout, MARin, read, select 4, add, Zin • Zout, PCin, WMFC • MDRout, R1in, end BRA ETICHETTA (lungo – istruzione codificata su due parole) • PCout, MARin, read, select 4, add, Zin • Zout, PCin, Vin ,WMFC • MDRout, select V, add, Zin • Zout, PCin, end Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  22. Salto Condizionato Prelievo della parola di opcode (comune a tutte le istruzioni): • PCout, MARin, read, select 4, Zinadd • Zout, PCin, Vin,WMFC • MDRout, IRIN BRA ETICHETTA (lungo – istruzione codificata su 2 parole) • PCout, MARin, read, select 4, add, Zin • Zout, PCin, Vin ,WMFC • MDRout, select V, add, Zin • Zout, PCin, end Bcc < 0 ETICHETTA(lungo – istruzione codificata su 2 parole) • PCout, MARin, read, select 4, add, Zin • Zout, PCin, Vin ,WMFC, if bit N  0 end-- ordine condizionale • MDRout, select V, add, Zin • Zout, PCin, end Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  23. potrebbe servirese fosse salto Esempio di Istruzione Completa Istruzione Aritmetica ADD (R3), R1 -- codificata su una sola parola interpretazione RTL: R1  R3  R1 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  24. serve per il salto(che avrà luogo) Esempio di Istruzione Completa Salto Incondizionato (relativo a PC) BRA ETICHETTA -- codificata su una sola parola interpretazione RTL: PC  dist. salto  PC attenzione: esempio (volutamente) un po’ diverso da quello di prima,dove l’istruzione macchina era codificata su due parole Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  25. serve per il salto(se avrà luogo) Esempio di Istruzione Completa Salto Condizionato (relativo a PC) Bcc  0 ETICHETTA -- codificata su una sola parola interpretazione RTL: se esito negativo PC  dist. salto  PC attenzione: esempio (volutamente) un po’ diverso da quello di prima,dove l’istruzione macchina era codificata su due parole Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  26. bus R Unità di Calcolo a tre Bus Interni si può anticipare La presenza di tre bus interni permette di avere parallelismo maggiore di trasferimento di dato,e dunque consente di ridurre il numero di passi ( cicli di clock) necessari per eseguire l’istruzione, almeno fino a un certo punto. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  27. Ancora un po’ di Parallelismo Op. di lettura da memoria R2 R1 in numero minimodi cicli di clock (n  2). procede in parallelo alle altre op. interne del processore Op. di lettura da memoria R2  R1 in n  2 cicli di clock. Si possono mettere in parallelo all’operazione di memoria (lettura o scrittura), o di I / O, operazioni puramente interneal processore. È una forma (limitata) di parallelismo. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  28. Struttura del Processore Unità di Controllo Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  29. Unità di Controllo • L’unità di controllo emette i segnali (ordini) che regolano il funzionamento dell’unità di calcolo. • L’unità di controllo può avere struttura: • cablata (o dedicata): è costruita ad-hoc e si basa su • decodificatore di istruzioni (che utilizza il registro IR) • contatore (per scandire la successione dei passi di controllo) • bit di esito e segnali esterni, per istruzioni condizionate • rete combinatoria per generare ordini a ogni passo di controllo • micro-programmata: decodifica l’istruzione macchinae legge in una memoria di controllo (control store), tramite un registro micro-PC, una micro-parola contenente i segnali di controllo da emettere per eseguire l’istruzione • Entrambe le strutture di UC sono usate, ma quella cablata oggi è più comune giacché è più efficiente, benché sia meno flessibile. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  30. Unità di Controllo Cablata Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  31. Come Funziona • Enumera i passi di controllo tramite il registro contatore. • Riceve il codice operativo (più eventuali campi aggiuntivi, se necessario) dell’istruzione macchina corrente (che si trova nel registro IR) e lo interpreta estraendone l’operazione. • Riceve eventuali bit di esito e segnali esterni, quando il passodi controllo è di tipo condizionato (istr. di salto cond., ecc). • Fonde le informazioni di numero di passo, operazione ed eventuale esito / segnale esterno, e così passo per passo genera gli ordini da mandare all’unità di calcolo e all’interfaccia di bus. • Pertanto realizza la sequenza di passi di controllo, specifica per ciascuna istruzione macchina del programma. • Lavora ciclicamente, e quando termina la sequenza di controllo corrente preleva la nuova istruzione macchina e parte con la nuova sequenza di passi corrispondente, e così via. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  32. Rete Comb. Generatrice di Ordini attivoalto gli istanti di tempo e i segnali che concorrono ad attivare l’ordine Zinsi deducono dalle sequenze di passi di controllo di ciascuna istruzione Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  33. Come progettare la Rete Comb. add Nota bene: l’ordine Zin si attiva nel primo passo (fase di prelievo) comune a tutte le istruzioni macchina (colore rosso). Le attivazioni rimanenti di Zin (colori rosa e verde) dipendono da quale istruzione sia in corso di esecuzione. branch Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  34. Rete Comb. Generatrice di Ordini attivoalto gli istanti di tempo e i segnali che concorrono ad attivare l’ordine endsi deducono dalle sequenze di passi di controllo di ciascuna istruzione Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  35. Come progettare la Rete Comb. add Nel caso dell’istruzione macchina “branch  0” (cioè salto condizionato), l’attivazione dell’ordine end (colori verde e arancio) dipende anche dal valore corrente del bit di esito N (che segnala risultato negativo prodotto da un’operazione aritmetica precedente). branch branch  0 Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  36. all’unitàdi controllo Rete Seq. Generatrice di Ordini L’ordine run, che permette (se run  1) o blocca (se run  0) la transizione al passo di controllo successivo, è speciale e va generatoin modo sequenziale (una rete combinatoria non basterebbe), in quanto è legato all’andamento del tempo di funzioni , per esempio, quali read e write Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  37. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  38. Struttura del Processore Unità di controllo microprogrammata Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  39. Unità di Controllo -Programmata • Il comportamento dell’unità di controllo di tipo-programmato dipende solo dal contenuto della memoria di -programma(o control store). • I segnali di controllo (cioè gli ordini) di ogni passo sono contenuti in una parola della memoria di -programma (o -memoria). • Ogni parola di -memoria viene chiamata -istruzione. • La sequenza di -istruzioni corrispondenti ai passi di controllo per l’esecuzione di un’istruzione macchina costituisce una -routine. • L’insieme di -routine costituisce il - programma Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  40. Memoria di -Programma Istruzione macchina ADD (R3), R1 microprogrammata Gli ordini (qui si chiamano -ordini) sono di tipo attivo alto. Ogni -istruzione specifica i -ordini da attivare in parallelo durante il passo di controllo corrente. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  41. cablata Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  42. Struttura di UC -Programmata • Struttura base: • preleva l’istruzione macchina • decodifica il codice operativo • salta alla -routine appropriata • ne esegue le - istruzioni Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  43. Esempio di -Routine Salto Condizionato (relativo a PC) Bcc  0 ETICHTTA -- codificata su una sola parola • PCout, MARin, read, select 4, Zinadd • Zout, PCin, Vin,WMFC • MDRout, IRin • salta al -indirizzo della -routine appropriata • .................. (altre -routine) • PCout, MARin, read, select 4, add, Zin • Zout, PCin, Vin ,WMFC, if bit N  0 end (goto -istr. 1) • MDRout, select V, add, Zin • Zout, PCin, end (goto -istr. 1) Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  44. Formato di -Istruzione • La -istruzione è suddivisa in campi, ciascuno dei quali pilota un solo elemento funzionale del processore: • -istr. orizzontale • oppure pilota un gruppo di elementi funzionali attivabili in mutua esclusione: • -istr. verticale Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  45. Calcolo del -Indirizzo • Per ottimizzare la struttura del -programma: • riuso di parti di -codiceper scrivere le differenti-routine associate alle fasi di esecuzione delle varie istruzioni macchina • È utile per esempio per gestire: • i vari modi di indirizzamento • parti comuni a diversi modi di indirizzamento • Tecnica: mascheratura di -indirizzo • Il -indirizzo “generale” (o base) viene modificato (ritoccato) mascherandone alcuni bit per generaregli indirizzi corretti (vedi la struttura di UC mostrata prima), verso dove si vuole effettivamente spostareil flusso di controllo di -programma. • La -istruzione che effettua la mascheratura di -indirizzo costituisce a tutti gli effetti un -salto. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  46. Struttura di UC -Programmata La -istruzione incorporail -indirizzo della prossima-istruzione da eseguire. Di solito il -ind. incorporato punta alla -istr. consecutiva. Ma il -ind. incorporato viene ritoccato con mascheratura quando occorre effettuare un -salto condizionato, a due o più vie (destinazioni di salto). Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  47. Formato di -Istruzione (2) Come prima, ma ora ci sono anche campi appositi per controllare la mascheratura. Il procedimento di mascheratura richiede una pianificazione attenta dei -indirizzi.Si veda il testo per i dettagli. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  48. Struttura di UC -Programmata • Struttura completa di UC -programmata: • -indirizzo incorporato • circuito di mascheratura • interpreta il codice operativo e -salta alla -routine appropriata • interpreta i campi che codificano i numeri dei registri sorgente e destinazione Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  49. Struttura del Processore Notazione Simbolica per microprogrammazione Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

  50. Perché la Notazione Simbolica • La -istruzione può essere tediosa da scrivere per esteso, giacché è molto dettagliata nei particolari. • La tecnica di mascheratura del -indirizzo è efficace ed efficiente, ma richiede un’attenta pianificazione dei valori numerici da dare ai -indirizzi di -salto. • È opportuno denotare la -routine e il -programma completoin modo puramente simbolico, così evitando di specificare il -indirizzo in forma numerica, specialmente per quanto attieneil -salto condizionato e incondizionato. • Si ricorre invece al -indirizzo simbolico, o - etichetta(proprio come in linguaggio macchina). • Segue tabella con semplice notazione simbolica. • Torna molto utile in sede di esercitazione. Elettronica Digitale (2^ Parte) 10-11_9

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