Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Проектування прототипу скалярного RISC-комп’ютера із заданою
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Ужгородський національний університет
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Комп'ютерна інженерія
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2012
Тип роботи:
Курсовий проект
Предмет:
Архітектура комп’ютерів та комп’ютерних систем
Варіант:
19
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
«УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
Інженерно-технічний факультет
Кафедра комп’ютерних систем та мереж
КУРСОВА РОБОТА
Проектування RISC комп’ютера
з дисципліни
«Архітектура комп’ютерів»
Напрям підготовки 6.050102 – «Комп’ютерна інженерія»
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
«УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
Інженерно-технічний факультет
Кафедра комп’ютерних систем та мереж
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
до курсової роботи з дисципліни
«Архітектура комп’ютерів»
студента 4 курсу
Дорогі Михайла
1. Тема роботи: Проектування RISC комп’ютера з набором команд згідно варіанту.
2. Вхідні дані:
Група інструкцій
Варіант
Пересилання
Арифметичні та логічні
Керування
5
LHU, SW
ADDUI, SUB, SEQ
BEQZ
3. Вихідні дані:
Розширена, детальна структурна схема прототипу скалярного RISC-комп'ютера з поданням структури, інформаційних та керуючих зв'язків інформаційного тракту i пристрою керування з врахуванням конкретизованої за завданням підмножини системи інструкцій. Внутрішня структура пристроїв інформаційного тракту, апаратура пристрою керування. Підсистема вводу/виводу інформації. Детальна мікропрограма виконання інструкцій.
4. Пояснювальна записка повинна містити:
- титульну сторінку;
- анотацію;
- зміст;
- конкретизовані та розширені вихідні дані на проектування;
- аналітичний розділ з роз'ясненням та аналізом основних принципів побудови скалярних RISC-комп'ютерів на прикладі визначених на реалізацію інструкцій;
- розділ з описом синтезу та розробки структурної схеми;
- основні результати роботи (висновок);
- перелік наукових першоджерел: монографій, статей, патентів і підручників.
Завдання видано________________________
Термін здачі роботи_____________________
Керівник_______________________________
ЗМІСТ
ВСТУП 5
1 СТРУКТУРА RISC КОМП’ЮТЕРА 6
1.1 Особливості МК RISC архітектури 6
1.2 Основні принципи побудови RISC комп’ютерів 8
1.3 Побудова інформаційного тракту 8
2 ПАМ’ЯТЬ 14
2.1 Кеш пам’ять 14
2.2 Основна пам’ять 15
3 ПРИСТРІЙ КЕРУВАННЯ 19
ВИСНОВОК 23
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 24
Додатки 25
ВСТУП
CISC МК характеризуються досить розвиненою системою команд, наприклад, МК серії і80х51 мають 111 команд. Однак аналіз програм показав, що 20% з них використовується в 80% випадків, а дешифратор команд займає більше 70% площі кристалу. Команди достатньо складні і виконуються за різний час. Тому у розробників виникла ідея скоротити кількість команд, надати їм єдиний формат і зменшити площу кристала, тобто використати RISC (Reduced Instruction Set Computer) архітектуру.
Особливістю МК, виконаних за RISC архітектурою, є те, що всі команди виконуються за один-три такти, тоді як у CISC контролерах - за один-три машинних цикли, кожний з яких складається з кількох тактів, наприклад для і80х51 - з 12 тактів. Тому RISC контролері мають значно більшу швидкодію. Однак повніша система команд CISC контролерів у деяких випадках сприяє економії часу виконання певних фрагментів програми та економії памяті програм.
1 СТРУКТУРА RISC КОМП’ЮТЕРА
1.1 Особливості МК RISC архітектури
У процесорах з RISC-архітектурою набір команд, що виконуються, скорочений до мінімуму.
RISC МК мають наступні характерні риси.
1. Всі команди мають формат фіксованої довжини (наприклад, 12, 14 або 16 біт).
2. Вибірка команди з пам'яті і її виконання здійснюється за один цикл (такт) синхронізації, що ілюструється рис. 1.
Рис. 1. Паралельні вибірки і виконання інструкцій.
3.Система команд процесора припускає можливість рівноправного використання всіх регістрів процесора. У МК із RISC-процесором усі регістри (часто й акумулятор) розташовуються по адресах, що явно задаються. Це забезпечує додаткову гнучкість при виконанні ряду операцій.
На перший погляд, МК із RISC-процесором повинні мати більш високу продуктивність у порівнянні з CISC МК при одній і тій же тактовій частоті внутрішньої магістралі. Однак на практиці питання про продуктивність більш складне і неоднозначне.
По-перше, оцінка продуктивності МК за часом виконання команд різних систем (RISC і CISC) не зовсім коректна. Звичайно продуктивність МП і МК прийнято оцінювати числом операцій пересилання «регістр-регістр», що можуть бути виконані протягом однієї секунди. У МК із CISC-процесором час виконання операції «регістр-регістр» складає від 1 до 3 циклів, що, здавалося б, уступає продуктивності МК із RISC-процесором. Однак прагнення до скорочення формату команд RISC-процесора приводить до змушеного обмеження числа доступних в одній команді регістрів. Так, наприклад, системою команд МК PIC16 передбачена можливість пересилання результату операції тільки в один із двох регістрів - регістр-джерело операнда або робочий регістр. Таким чином, операція пересилання вмісту одного з доступних регістрів в іншій (не джерело операнда і не робочий) потребує використання двох команд. Така необхідність часто виникає при пересиланні вмісту одного з регістрів загального призначення (РЗП) в один з портів МК. У той же час, у системі команд більшості CISC-процесорів присутні команди пересилання вмісту РЗП в один з портів введення-виведення. Тобто більш складна система команд іноді дозволяє реалізувати більш ефективний спосіб виконання операції.
По-друге, оцінка продуктивності МК по швидкості пересилання «регістр-регістр» не враховує особливостей конкретного реалізованого алгоритму керування. Так, при розробці швидкодіючих пристроїв автоматизованого керування основну увагу варто приділяти часу виконання операцій множення і розподілу при реалізації рівнянь різних передаваючих функцій. А при реалізації пульта дистанційного керування побутовою технікою варто оцінювати час виконання логічних функцій, що використовуються при опитуванні клавіатури і генерації послідовної кодової посилки керування. Тому в критичних ситуаціях, що вимагають високої швидкодії, варто оцінювати продуктивність на множині тих операцій, що переважно використовуються в алгоритмі керування і мають обмеження за часом виконання.
По-третє, необхідно ще враховувати, що зазначені в довідкових даних на МК частоти синхронізації звичайно відповідають частоті кварцового резонатора, що підключається, у той час як тривалість циклу центрального процесора визначається частотою обміну по ВКМ. Співвідношення цих частот індивідуально для кожного МК і повинно бути прийняте в розрахунок при порівнянні продуктивності різних моделей контролерів.
1.2 Основні принципи побудови RISC комп’ютерів
Виділяють наступні вимоги, яких необхідно притримуватися при побудові RISC процесора:
Довільна комп'ютерна команда, незалежно від її типу, має виконуватися за один такт.
Пристрій керування та арифметико-логічний пристрій процесора мають орієнтуватися на виконання мінімальної кількості спрощених команд, що статистично переважають у програмах, причому в системі команд відносно небагато операцій та режимів адресації операндів.
Команди обробки даних мають реалізуватися лише у формі "регістр-регістр". Обміни з основною пам'яттю виконуються лише за допомогою команд завантаження/запису.
Дешифрування команд із спрощеними форматами має виконуватися лише апаратно, аби збільшити швидкодію.
Регістрова пам'ять має включати велику кількість програмно-доступних регістрів.
При цьому необхідно проводити оптимізацію структури процесора, що проектується, з метою забезпечення найшвидшого виконання обраних команд.
1.3 Побудова інформаційного тракту
За основу проектування інформаційного тракту використаємо архітектуру комп'ютера, яка була запропонована для навчальних цілей Джоном Хеннессі та Дейвідом Паттерсоном і отримала назву DLX. Ця архітектура узагальнює особливості архітектур наступних комп'ютерів: AMD 29000, DEC3100, НР850, ІВМ801, Inteli860, MIPS М/120А, MIPS M/1000, M88000, RISCl, SGI 4D/60, SPARCstation-1, SUN-4/110, SUN-4/260.
Основою проектування структури процесора комп'ютера з простою системою команд є часова діаграма виконання команд з найбільшою складністю, до числа яких належить, зокрема, команда завантаження даних. Розглянемо цикл виконання команди вибірки з основної пам'яті (завантаження) без знакового байту LBU. В комп'ютері DLX командний цикл поділений на п'ять фаз. Тому для виконання вказаної команди потрібно виконати наступні фази:
- вибрати зазначену команду з основної пам'яті (перша фаза виконання команди із назвою IF (Instruction Fetch);
- декодувати команду та вибрати операнди (друга фаза виконання команди із назвою ID (Instruction Detecting);
- виконати команду, тобто обрахувати виконавчу адресу операнда (третя фаза виконання команди із назвою EX (Execution);
- вибрати операнд із основної пам'яті (четверта фаза виконання команди із назвою MEM (Memory);
- переслати вибраний з основної пам'яті операнд до відповідного регістра регістрового файла (п'ята фаза виконання команди із назвою WB (Write Back).
Використані назви фаз дещо узагальнюють притаманну лише команді LBU семантику кожної окремої фази. Це коректно, бо нашою метою є наближення до такої послідовності фаз, яка задовольняє вимогам будь-якої команди із заданої до реалізації множини з метою досягнення найбільшої швидкодії. Інші команди не завжди вимагають реалізації усього переліченого набору фаз, тому що мають меншу часову складність.
Залежно від структури процесора команда може бути виконаною за різний час, який буде складатися з суми проміжків часу, необхідних для виконання кожної фази. Розглянемо підхід до побудови процесора з тим, щоб задовольнити вимогу, згідно з якою довільна комп'ютерна команда, незалежно від її типу, має виконуватися за один такт (чи однотактовий цикл), яка ставиться до процесорів комп'ютера з простою системою команд.
Для того, щоб команда виконувалася за один такт, потрібно апаратно відобразити алгоритм її виконання, тобто поставити у відповідність кожному оператору алгоритму функціональні вузли процесора, які їх виконують, та з'єднати їх між собою. Ця відповідність наведена в таблиці 1.1.
Таблиця 1.1 Мікродії виконання команд
LHU
SW
ADDUI
IF
IR = IM [PC];
NPC = PC + 4;
ID
A=Regs [ IR6..10 ];
Imm=(IR16 )16 ## IR16..31;
A=Regs [ IR6..10 ];
Imm=(IR16 )16 ## IR16..31;
B=Regs [ IR11..15 ];
A=Regs [ IR6..10 ];
Imm=(IR16 )16 ## IR16..31;
EX
ALUout = A + Imm;
MEM
LMD = DM[ALUout];
DM [ALUout] = B;
WB
Regs [ IR11..15 ] = LMD;
Regs[IR16..20]=ALUout;
SUB
SEQ
BEQZ
IF
IR = IM [PC];
NPC = PC + 4;
ID
A=Regs [ IR6..10 ];
B=Regs [ IR11..15 ];
A=Regs[IR6..10];
B=Regs[IR11..15];
Imm=(IR16)16##IR16..31;
EX
ALUout = A - B;
ALUout = A == B;
ALUout= NPC + Imm;
MEM
WB
Regs[IR16..20] = ALUout;
Тоді структура процесора комп'ютера з простою системою команд, який виконує названі фази, може бути подана схемою наведеною в додатку. Як бачимо, процесор містить п'ять послідовно з'єднаних блоків: вибірки команди з основної пам'яті, декодування операндів та вибірки команди з регістрової пам'яті, операційний, вибірки та запису даних до основної пам'яті, запису даних до регістрової пам'яті. Кожен з цих блоків виконує відповідну фазу командного циклу та передає результати до наступного блоку. Результатом послідовної роботи цих блоків є виконання команди
Перший оператор IF виконується на наступних елементах: програмному лічильнику PC (Program Counter), суматорі ADD та двох регістрах NPC і IR. Вміст програмного лічильника PC визначає адресу команди в основній пам'яті. Комбінаційний суматор ADD обраховує адресу наступної за чергою виконання команди. При цьому враховано, що впорядкована послідовність команд (програма) складається з чотирибайтових команд (усі команди мають формати довжиною 32 біти), які розміщено в основній пам'яті за послідовними адресами 0, 4, 8, С і т. д. Через це константа зсуву адреси (пересування покажчика на наступну за чергою команду) дорівнює +4. Визначене за допомогою суматора значення адреси вибирання наступної команди зберігається у регістрі NPC (next PC). Зчитаний з пам'яті інструкцій IM код поточної команди записується до регістра команди IR.
Поля щойно вибраної команди містять адреси програмно-доступних регістрів регістрової файла процесора. Вміст зазначених полів формату команди в рамках оператора ID надсилається на адресні входи регістрової пам'яті Regs, а відповідні надісланим адресам коди операндів завантажуються до внутрішніх, програмно-недосяжних, тобто службових, регістрів А і В.
Існує ще один тип операнда з назвою "безпосередній" (Imm). Його задають прямо у форматі команди. Як правило, довжина безпосереднього операнда не перевищує половини довжини формату команди. В комп'ютері DLX безпосередній операнд має довжину 32/2 = 16 бітів. У той самий час бажано зафіксувати довжину формату даних такою, що дорівнює довжині формату команди, адже різноманіть довжин форматів суттєво пригальмовує комп'ютер. Якщо усі формати даних, як і формати команд, матимуть довжину 32 біти, тоді безпосередньому операнду не вистачатиме ще 16 бітів, аби бути стандартним за довжиною. Але оскільки дані команди являються беззнаковими, то старші 16 біт завжди будуть рівні нулю. Отже розширення не потрібно виконувати, а потрібно тільки перезаписати молодші 16 біт операнду в службовому регістрі Imm.
В цілому можна нарахувати чотири можливі операнди на вході арифметико-логічного пристрою ALU процесора: з регістрів А, В, Imm та вміст регістра адреси наступної для виконання команди NPC, над якими виконується функціональний оператор ЕХ. Операнд-адреса NPC опрацьовується в ALU при виконанні команди умовного переходу, коли на додаток до наступної потрібна ще одна адреса, що утвори на додаванням до вмісту NPC деякої константи переходу. Вибирання двох операндів на вхід ALU із чотирьох можливих виконується за допомогою мультиплексорів, розташованих на його входах.
Результат операції з ALU тимчасово запам'ятовується у проміжному службовому регістрі ALUout. Якщо результатом операції є число, тоді воно заноситься до комірок регістрового файла. Якщо результатом операції є адреса, тоді ця адреса надсилається до (верхнього на рисунку) мультиплексора вибору адреси mux. За допомогою зазначено: мультиплексора вибирають адресу переходу (чергова чи перехід), яка і надсилається де програмного лічильника PC, аби коректно продовжити виконання програми.
Керування мультиплексором вибору адреси наступної команди покладено на вузол Zero?, де вміст службового регістра А порівнюється із нулем (дорівнює нулю, більше нуля, менше нуля і т. д., залежно від виду виконуваної у поточний час операції умовно: переходу). Результат порівняння є бінарним логічним значенням (так або ні). Саме цей бінарний результат керує роботою мультиплексора вибирання адреси наступної команди.
При виконанні фази MEM результат-адреса з виходу ALU надсилається до основної пам'яті як отримана адреса комірки цієї нам'яті (для команд збереження/завантаження)
Результатом на виході правого на рисунку мультиплексора може бути або вміст основної пам'яті (при виконанні команди завантаження LBU слова з основної пам'яті до регістра регістрового файла), або результат виконання арифметичної(ADDU, SUB, XORI) операції в ALU. Такий результат в рамках виконання фази WB засобами мікропрограмування зберігають в регістрі регістрового файла. Отже, зазначений мультиплексор комутує на вхід регістрового файла потрібну інформацію.
Таким чином, апаратно відобразивши алгоритм виконання команд, вдалося забезпечити вимогу, щоб вони виконувалася за один такт.
2 ПАМ’ЯТЬ
2.1 Кеш пам’ять
В зв’язку з тим що швидка пам'ять є дуже дорогою, а дешева пямять дуже повільна в проектуванні прототипу комп’ютера використаємо багаторівневу ієрархічну систему пам'яті комп'ютера, де на верхньому рівні ієрархії знаходяться програмно-доступні регістри регістрового файла процесора, на другому - кеш, потім комірки основної пам'яті. За рівнями ієрархії, згори донизу, об'єм пристроїв пам'яті зростає, а швидкодія зменшується.
Важливим є той факт, що звернення процесора до пам'яті завжди локалізовано в невеликому діапазоні змін її адрес. Саме він і дозволяє застосовувати ієрархічну систему пам'яті, аби розв'язати невідповідність швидкодій процесора і системи пам'яті з одним рівнем ієрархії. Між процесором і основною пам'яттю розташована кеш пам'ять - це швидка буферна пам'ять невеликого об'єму. Кеш пам'ять працює на близькій тактовій частоті до процесора і не пригальмовує його роботу.
При проектуванні використано гарвардську архітектуру, тобто пам'ять інструкцій і пам'ять даних знаходяться окремо. Отже доцільно розробити окремо два кеша для памяті інструкцій і для пам’яті даних. Структурні схеми цих кешів наведені в додатках.
Процесор генерує адреси пам'яті так, ніби кеш пам'яті не має, а сам кеш на апаратному рівні перехоплює сигнали процесора читання/запису. Якщо кеш пам'ять спроможна підмінити собою основну пам'ять (у понад 96-98 відсотків випадків), тоді вона за рахунок власних ресурсів задовольняє запит процесора. Процесор не пригальмовується і продовжує працювати на повній швидкості. Коли «підміна» основної пам'яті неможлива (менше від двох-чотирьох відсотків випадків), тоді кеш пам'ять залучає до роботи основну пам'ять, обмін з якою суттєво пригальмовує процесор.
Усі завдання, пов'язані із перехопленням запитів від процесора до основної пам'яті, вирішує контролер кеш пам'яті, який є її складовою частиною. Другою частиною кеш пам'яті є невелика робоча пам'ять, де зберігають вміст копій комірок основної пам'яті. Зберігаються ці комірки по принципу прямого відображення. Тобто кожній комірці кешу однозначно відповідають декілька комірок з основної пам’яті. Для ідентифікування яка саме комірка записана в кеші використовується тег, який рівний старшим бітам адреси. Саме тег дозволяє контролеру кеш пам'яті приймати рішення про спроможність задовольнити конкретний процесорний запит без залучення до обміну повільної основної пам'яті.
Спрощений варіант структури комп'ютера, в якому використовується кеш пам'ять, подано в додатку. Пристрій керування надсилає керуючі сигнали до процесора та основної пам'яті. З процесора сигнали станів, якими можуть бути біти регістра команди і інше, надходять до пристрою керування, аби реалізувати розгалуження мікропрограми.
Для зберігання даних і команд використано розділені кеш пам'яті даних і команд Гарвардської архітектури. В свою чергу, кеш пам'яті зв'язані з єдиною пам'яттю Принстонської архітектури. Обмін в підсистемі "основна пам'ять - кеш пам'ять даних» є двостороннім, а в підсистемі «основна пам'ять - кеш пам'ять команд" – одностороннім.
2.2 Основна пам’ять
Основна пам'ять будується на основі інтегральних мікросхем. Мікросхеми пам'яті організовані у вигляді матриці комірок, кожна з яких має n запам'ятовуючих елементів, де n - розрядність комірки, і має свою адресу. Кожен запам'ятовуючий елемент здатний зберігати один біт інформації, оскільки він має два стабільні стани, які представляють двійкові значення 0 і 1. При запису інформації запам'ятовуючий елемент встановлюється в один із двох можливих станів. Для визначення поточного стану запам'ятовуючого елемента його вміст має бути зчитаний.
Загальна структурна схема пам’яті наведена в додатку.
В мікросхемах пам'яті реалізується координатний принцип адресації комірок, згідно з яким комірка із заданим номером лежить на перетині відповідних вертикальної та горизонтальної ліній. Запам'ятовуючі елементи, об'єднані загальним горизонтальним провідником, прийнято називати рядком. Запам'ятовуючі елементи, підключені до загального вертикального провідника, називають стовпцем. Кожній горизонтальній лінії відповідає один з кодів адреси рядка, а кожній вертикальній лінії відповідає один з кодів адреси стовпця. Молодші розряди адреси вказують адресу рядка, а старші розряди адреси вказують адресу стовпця.
Адреса комірки, що поступає в мікросхему пам'яті, пропускається через логіку вибору, де вона розділяється на дві складові: адресу рядка і адресу стовпця. Адреси рядка і стовпця запам'ятовуються в буфері адреси. Адреси рядка і стовпця подаються в мікросхему на дешифратори стовпця і рядка відповідно. Виходи дешифраторів утворюють систему горизонтальних і вертикальних провідників, до яких підключені матриці комірок пам'яті, при цьому кожна комірка пам'яті розташована на перетині одного горизонтального й одного вертикального провідників.
Крім адресних вертикальних провідників у мікросхемі повинна бути така ж кількість інформаційних провідників, по яких передаватиметься інформація, яка зчитується та записується до пам'яті. Сукупність запам'ятовуючих елементів і логічних схем, пов'язаних із вибором рядків і стовпців, називають ядром мікросхеми пам'яті.
Крім ядра, в мікросхемі є ще інтерфейсна логіка, що забезпечує взаємодію ядра із зовнішнім світом. У її завдання, зокрема, входить проведення комутації потрібного стовпця на вихід при читанні і на вхід при записі, яка здійснюється через вихідні ключі, що керуються логічними схемами запису і зчитування. При цьому логічна схеми запису і зчитування (логіка запису та логіка зчитування), а також логіка керування, яка задає режими роботи пам'яті, працюють на основі аналізу зовнішніх сигналів керування пам'яттю /RAS, /СЕ, /WE, /CAS.
Для синхронізації процесів фіксації й обробки адресної інформації всередині мікросхеми адреса рядка (RA) супроводжується сигналом RAS (Row Address Strobe - строб рядка), а адреса стовпця (CA) - сигналом CAS (Column Address Strobe - строб стовпця). Щоб стробування було надійним, ці сигнали подаються із затримкою, достатньою для завершення перехідних процесів на шині адреси та в адресних лініях мікросхеми.
Сигнал WE (Write Enable - дозвіл запису) визначає вид виконуваної операції (зчитування або запис).
На фізичну організацію ядра, як матрицю однорозрядних запам'ятовуючих елементів, накладається логічна організація пам'яті, під якою розуміється розрядність мікросхеми, тобто кількість ліній введення-виведення. Розрядність мікросхеми визначає кількість запам'ятовуючих елементів, що мають одну і ту ж адресу (таку сукупність запам'ятовуючих елементів називають коміркою), тобто кожен стовпець містить стільки розрядів, скільки є ліній введення-виведення даних.
Для прискорення роботи пам'яті на її інформаційному вході зазвичай встановлюються вхідний та вихідний регістри даних. Записувана інформація, що поступає по шині даних, спочатку заноситься у вхідний регістр даних, а потім у вибрану комірку. При виконанні операції зчитування інформація з комірки до її видачі на шину даних буферизируєтся у вихідному регістрі даних. На весь час, поки мікросхема пам'яті не використовує шину даних, інформаційні виходи мікросхеми переводяться в третій (високоімпедансний) стан. Керування перемиканням в третій стан забезпечується сигналом ОЕ (Output Enable - дозвіл видачі вихідних сигналів). Цей сигнал активізується при виконанні операції зчитування.
Для більшості перерахованих вище сигналів керування активним зазвичай вважається їх низький рівень.
Керування операціями з основною пам'яттю здійснюється контролером пам'яті.
3 ПРИСТРІЙ КЕРУВАННЯ
В попередніх розділах було розглянуто принципи організації інформаційного тракту і пам’яті. Однак ними ще потрібно керувати. Саме це і є задачею пристрою керування.
Пристрій керування виробляє послідовність сигналів, необхідних для виконання команди, та послідовності команд, тобто програми. Команда в комп'ютері виконується за один або за декілька тактів, в кожному із яких виконується одна або декілька мікрооперацій. Кожна мікрооперація представляє собою деяку елементарну дію передачі або перетворення інформації, яка ініціюється поступленням керуючого сигналу (мікронаказу) на вхід керування відповідного пристрою. Прикладом може бути керуючий сигнал, який встановлює або очищує прапорець стану, керуючий сигнал запису до регістра, керуючий код на вході мультиплексора і т. д. Для реалізації команди необхідно на відповідні керуючі входи подати розподілену в часі послідовність керуючих сигналів.
Пристрій керування є одним з вузлів процесора. В додатку показана взаємодія в процесорі між пристроєм керування та інформаційним трактом, кешем і основною пам'яттю.
Процес функціонування процесора в часі складається з послідовності тактових інтервалів, в яких інформаційний тракт виконує операції над операндами та видає результати обробки. Виконання даних операцій інформаційний тракт здійснює на основі відповідних сигналів керування (мікронаказів) з пристрою керування. Послідовність елементарних мікронаказів пристрій керування формує на основі коду операції та службових сигналів стану з регістрової пам'яті процесора.
В даній курсовій роботі пристрій керування побудований по принципу мікропрограмного керування, який передбачає формування керуючих сигналів за
вмістом регістра мікрокоманд, в який мікрокоманди записуються із пам'яті мікрокоманд. Шляхом послідовного зчитування мікрокоманд із пам'яті в цей регістр організується потрібна послідовність керуючих сигналів.
Такий пристрій керування будується на основі автоматів, в нашому випадку це автомат Мура.
Автомат Мура визначено п’ятіркою з трьох множин:
- множини внутрішних станів ;
- множини вхідних сигналів ;
- множини вихідних сигналів ,
і двох функцій, а саме, - функції переходів і функції виходів . Скінчений автомат має скінчені множини . Ініціальний автомат Мура має наперед визначений початковий внутрішний стан .Функція переходів визначає наступний стан в залежності від поточного стану і вхідного сигналу. Функція виходів визначає вихідний сигнал (мікродію) в залежності від внутрішнього стану. Для проектування автомату Мура потрібно визначити усі елементи зазначеної п’ятірки.
Множини (таблиця 3.1), що складається з 16 елементів (мікродій) та , що складається з трьох елементів і визначаються поточною командою, вже визначено на етапі кодування автомату.
Таблиця 3.1 Мікродії виконання команд
LHU
SW
ADDUI
IF
IR = IM [PC];(y0)
NPC = PC + 4;(y1) (A1)
ID
A=Regs [ IR6..10 ];(y2) (A2)
Imm=(IR16 )16 ## IR16..31;(y3)
A=Regs [ IR6..10 ]; (y2) (A3)
Imm=(IR16 )16 ## IR16..31; (y3)
B=Regs [ IR11..15 ];(y4)
A=Regs [ IR6..10 ]; (y2) (A2)
Imm=(IR16 )16 ## IR16..31; (y3)
EX
ALUout = A + Imm;(y5) (A5)
MEM
LMD = DM[ALUout]; (y9) (A9)
DM [ALUout] = B; (y10) (A10)
WB
Regs [ IR11..15 ] = LMD; (y11) (A11)
Regs[IR16..20]=ALUout; (y12) (A12)
SUB
SEQ
BEQZ
IF
IR = IM [PC]; (y0) (A1)
NPC = PC + 4;(y1)
ID
A=Regs [ IR6..10 ]; (y2) (A4)
B=Regs [ IR11..15 ];(y4)
A=Regs[IR6..10]; (y2) (A3)
B=Regs[IR11..15]; (y4)
Imm=(IR16)16##IR16..31; (y3)
EX
ALUout = A - B; (y6) (A6)
ALUout = A == B; (y7) (A7)
ALUout= NPC + Imm; (y8) (A8)
MEM
WB
Regs[IR16..20] = ALUout; (y12) (A12)
Множину визначають за наступним правилом:
1. Стартову вершину позначають символом внутрішнього стану ;
2. Кожну операторну вершину позначають окремим, незбіжним із вже застосованими, символом внутрішнього стану;
Результат проектування граф схеми автомата Мура наведено в додатку і містить 17 внутрішні стани, від до .
Пристрій керування має 14 керуючих виходів C1..C14. Кожний вихід відповідає за керування власного вузла інформаційного тракту. В таблиці 3.2 наведено які сигнали мають виходи пристрою керування в кожному стані автомата.
Розглянемо призначення кожного з керуючих сигналів:
С1 керує передачею даних з регістра інструкції IR в регістровий файл;
С2 керує передачею даних з регістра інструкції IR в регістр безпосереднього даного Imm;
C3 керує мультиплексором який визначає, що подавати на перший вхід АЛП(регістр нової адреси NPC або службовий регістр А);
С4 керує мультиплексором який визначає, що подавати на другий вхід АЛП(службовий регістр В або регістр безпосереднього даного Imm);
С5,С6 дозволяють ввід даних на перший і другий вхід АЛП відповідно;
С7,С8 визначають яка операція повинна бути виконана в АЛП (00 – додавання, 01 – віднімання, 10 – пор);
С9 дозволяє передачу адреси комірки пам’яті на шину пам’яті даних, яка повинна бути завантажене в або з пам’яті;
С10 дозволяє передачу даних з регістру В для послідуючого запису в пам'ять;
С11 дозволяє вивід даних з регістру результату АЛП ALUout на мультиплексор з послідуючим записом в регістровий файл.
С12 керує мультиплексором який визначає які дані записувати в регістровий файл;
С13 дозволяє запис в регістровий файл;
С14 дозволяє передачу в регістр поточної адреси адресу нової команди.
Таблиця 3.2 Сигнали пристрою керування
Стан
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
C10
C11
C12
C13
C14
a0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
a1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
a2
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
a3
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
a4
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
a5
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
a6
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
a7
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
a8
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
a9
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
a10
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
a11
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
a12
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
ВИСНОВОК
У процесорах з RISC-архітектурою набір команд, що виконуються, скорочений до мінімуму. Для реалізації більш складних операцій приходиться комбінувати команди.
RISC МК мають наступні характерні риси:
1. Всі команди мають формат фіксованої довжини.
2. Вибірка команди з пам'яті і її виконання здійснюється за один цикл синхронізації.
3. Система команд дає можливість рівноправного використання всіх регістрів ЦП.
.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
Patterson D., and Hennessy J. Computer Architecture. A quantitative Approach. Second Edition. - Morgan Kaufmann Publishers, Inc., San Francisco, California, 1996. - 760 p.
Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. - Л., Машиностроение, 1974.
Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. - Л.: Машиностроение, 1980.
Hamacher V., Vranesic Z., and Safwat G. Computer Organization. - McGraw-Hill Publishing Company, International Edition, 1990. - 617 p.
Мотоока Е., Томита С., Танака Т., Сайто Е., Уэхара Т. Компьютеры на СБИС. В двух книгах. - М.: Мир, 1988.
Искусственный интеллект: В 3-х книгах. Кн. 3. Программные и аппаратные средства: Справочник/Под ред. В.Н. Захарова, В.Ф., Хорошевского. - М.: Радио и связь. - 1990. - 368 с.
Microprocessors, Volume I. - Intel Corp., 1992.
Пом А., Агравал О. Быстродействующие системы памяти. - М.: Мир, 1987. - 264 с.
Додатки
24.03.2013 22:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора