1. مظفر بگ محمدی بهار 94 دانشگاه ایلام
فصل 5
مظفر بگ محمدی
بهار 94
دانشگاه ایلام

2. روش ما فقط از فلیپ فلاپها استفاده می کنیم.
تمام آنها با یک لبه کار می کنند. (مثلا لبه ی پایین رونده)
کلاک همه یکسان است.
نیازی به رسم کلاک نیست.
تمام اعمال مورد نظر در یک کلاک خاتمه می یابند.

3. روش ما (ادامه...)
کلاک وارد هیچ گیتی نمی شود.
طراحی صحیح:

4. مسیر داده – CPI برابر 1
فرض: یعنی هر دستورالعمل در یک کلاک انجام می شود.
دستورالعملها:
add, sub, and, or slt, lw, sw, & beq
هر دستورالعمل را جدا طراحی می کنیم.
بعد همه را به هم وصل می کنیم.

5. واکشی دستورالعملها فرض کنید:
دستورالعمل را واکشی کنید، سپس PC را افزایش دهید.
برای همه دستورات یکسان است.
فرض کنید:
PC هر سیکل به روزرسانی می شود.
فعلا jump و انشعاب نداریم.
بعد از انجام این دستور، دستور بعدی را واکشی می کنیم.

6. دستورالعملهای ALU and $1, $2, $3 # $1 <= $2 & $3 E.g. MIPS R-format
Opcode rs rt rd shamt function

7. دستورالعملهای load/store
lw $1, immed($2) # $1 <= M[SE(immed)+$2]
E.g. MIPS I-format:
Opcode rt rt immed

8. دستورالعملهای انشعاب
beq $1, $2, addr # if ($1==$2) PC = PC + addr<<2
در حقیقت:
newPC = PC + 4
target = newPC + addr << 2 # in MIPS offset from newPC
if (($1 - $2) == 0)
PC = target
else
PC = newPC

9. دستورالعملهای انشعاب

10. تجمیع همه

11. نمای کلی واحد کنترل دستورالعملهای تک سیکلی
مسیر داده: منطق ترکیبی، حافظه ی دستورالعملها، رجیسترها، حافظه ی داده، PC،
سه حافظه ی آخر در انتهای چرخه نوشته می شود.
نیاز به کنترل دارد: از منطق ترکیبی استفاده می کنیم.
ورودیها:
دستور العملها (خروجی واحد حافظه ی دستورالعملها)
صفر (برای دستور beq)
خروجیها:
خطوط کنترلی مولتی پلکسرها
ALUop
Write-enables

12. نمای کلی واحد کنترل کنترل سریع مثال: هر واحدی به چه داده ای نیاز دارد؟
هر چه تعداد ورودیها کمتر باشد، مدار سریعتر است.
مثال:
کنترل کننده ی عمومی نیازی ندارد بداند که کدام ALUop اجرا می شود.

13. کنترل ALU فرض کنید ALU از جدول زیر استفاده می کند: 000 and 001 or 010
add
110
sub
111
slt (set less than)
others
don’t care

14. کنترل ALU ALU-ctrl = f(opcode,function) برای ساده کردن ALU-ctrl
دستورالعمل
عمل
کد دستورالعمل
opcode
بیتهای function
add
000000
100000
sub
100010
and
100100 or
100101
slt
101010 lw
100011
xxxxxx sw
101011
beq
000100
ALU-ctrl = f(opcode,function)
برای ساده کردن ALU-ctrl
ALUop = f(opcode)
2 bits 6 bits

15. کنترل ALU ALU-ctrl = f(ALUop, function) 3 bits 2 bits 6 bits10
add, sub, and, … 00
lw, sw 01
beq
ALU-ctrl = f(ALUop, function)
3 bits 2 bits 6 bits
می توان مدار مربوطه را با 5 گیت و تعدادی معکوس کننده ساخت.

16. کنترلهای عمومی R-format: opcode rs rt rd shamt function
I-format: opcode rs rt address/immediate
J-format: opcode address
6 26

17. کنترلهای عمومی
از instruction[25:21] به عنوان رجیستر خواندنیreg1 استفاده کنید.
از instruction[20:16] به عنوان رجیستر خواندنیreg2 استفاده کنید.
از instruction[20:16] در دستور load و instruction[15:11] در بقیه ی دستورات به عنوان رجیستر نوشتن استفاده کنید.
از یک مولتی پلکسر استفاده کنید.
از instruction[31:26] به عنوان op[5:0] استفاده کنید.

18. کنترلهای عمومی خروجیها ALU-ctrl - اسلایدهای قبلی را ببینید.
ALU src - R-format, beq vs. ld/st
MemRead - lw
MemWrite - sw
MemtoReg - lw
RegDst - lw dst in bits 20:16, not 15:11
RegWrite - all but beq and sw
PCSrc - beq taken

19. کنترلهای عمومی خروجیهای عمومی
PCsrc را با موارد زیر جابجا کنید:
Branch beq
PCSrc = Branch * Zero
چه ورودیهایی برای تعیین سیگنالهای کنترلی فوق الذکر ضروری است؟
فقط Op[5:0]

20. سیگنالهای کنترلی مورد نیاز

21. کنترلهای عمومی RegDst = ~Op[0] ALUSrc = Op[0]
Instruction
Opcode
RegDst
ALUSrc
rrr
000000 1 lw
100011 sw
101011 x
beq
000100
???
others
RegDst = ~Op[0]
ALUSrc = Op[0]
RegWrite = ~Op[3] * ~Op[2]

22. کنترلهای عمومی
اگر کل MIPS ISA را پیاده کنیم، به ساختار سازمان یافته تری نیاز داریم.
تا بتوان گیتها را بین سیگنالهای کنترلی به اشتراک گذاشت.
راه حل رایج: PLA
کد دستورالعملهای MIPS طوری طراحی شده اند که ورودیهای PLA، مینترمها و خروجیها حداقل شوند.

23. اضافه کردن دستور Jump

24. سیگنالهای کنترلی مورد نیاز Jump

25. طراحی تک سیکلی چه مشکلی دارد؟
Instructions
Cycles
Program
Instruction
Time
Cycle
(code size) X
(CPI)
(cycle time)
بحرانی ترین مسیر احتمالاً مال دستور lw است:
I-mem, reg-read, alu, d-mem, reg-write
دستورات دیگر سریعتر هستند:
مثلاً دستورات rrr نیازی به d-mem ندارند.
اگر کل ISA را پیاده کنیم تفاوت بین دستورات خیلی معنادارتر است.
تقسیم اعداد اعشاری
عدم وجود دستور در حافظه ی نهان (فصلهای بعدی)

26. پیاده سازی تک سیکلی راه حلها: کلاک متغییر؟ یک کلاک کوچک و ثابت
کنترل و طراحی خیلی مشکل است.
یک کلاک کوچک و ثابت
تعداد کلاکهای مورد نیاز هر دستور (یعنی CPI) متفاوت خواهد بود.

27. پیاده سازی چند سیکلی اما:
Clock cycle = max(i-mem, reg-read+reg-write, ALU, d-mem)
از منطق ترکیبی در سیکلهای متفاوت مجددا استفاده می کنیم:
یک حافظه
یک ALU و عدم استفاده از بقیه ی جمع کننده ها
اما:
کنترل خیلی پیچیده تر خواهد بود
به رجیسترهای جدیدی برای ذخیره ی نتایج نیاز داریم (مثل IR) .
در سیکلهای بعدی مجددا استفاده می شود.
منطقی که سیگنالها را محاسبه می کند نیز مجددا استفاده می شود.

28. یک مسیر داده چند سیکلی سطح بالا
توجه:
رجیستر دستورالعمل، رجیستر داده حافظه
یک حافظه که دارای باس آدرس است.
یک ALU که خروجی آن در رجیستر ALUOut ذخیره می شود.

29. توضیح باس سیمها را به اشتراک می گذاریم تا تعداد سیگنالها کاهش یابند.
یک مولتی پلکسر توزیع شده داریم.
چندین منبع روی یک باس هستند.
باید مطمئن باشیم که در هر لحظه از زمان فقط یکی از آنها فعال هستند!

30. سیگنالهای کنترلی در طراحی چند سیکلی

31. مسیر داده ی چند سیکلی

32. گامهای طراحی چند سیکلی IR=MEM[PC] PC=PC+4 A=RF(IR[25:21])
Step
Description
Sample Actions IF
Fetch
IR=MEM[PC]
PC=PC+4 ID
Decode
A=RF(IR[25:21])
B=RF(IR[20:16])
ALUout=PC+SE(IR[15:0]) << 2 EX
Execute
ALUout = A + SE(IR[15:0]) # lw/sw
ALUout = A op B # rrr
ALUout=A-B # beq
if (zero==1) PC = ALUout # beq
PC=PC[31-28]:SE(IR[26:0])<<2 # jmp
Mem
Memory
MEM[ALUout] = B # sw
MDR = MEM[ALUout] #lw WB
Writeback
RF(IR[15:11]) = ALUout # rrr
Reg(IR[20:16]) = MDR # lw

33. کنترل طراحی چند سیکلی تابعی از Op[5:0] و حالت فعلی
به عنوان یک ماشین حالت متناهی (FSM) یا
یک میکرو-برنامه یا میکرو-کد (بعدا)
outputs
Next
State
State Fn
Output Fn
Current
state
Inputs

34. ماشین حالت متناهی برای هر حالت تعریف کنید:
سیگنالهای کنترلی مورد نیاز مسیر داده در این سیکل
سیگنالهای کنترلی برای تعیین حالت بعدی
تمام دستورات از IF شروع می شوند.
تمام دستورات بعد از خاتمه، یک IF جدید را شروع می کنند:
البته قبل از آن، PC را به صورت مناسب به روز رسانی می کنند.

35. مثال چند سیکلی: and Start IF ID EX MEM WB PCWrite PCSource = 10
ALUSrcA = 1
ALUSrcB = 00
ALUOp = 01
PCWriteCond
PCSource = 01
ALUOp = 10
MemRead
IorD = 1
MemWrite
RegDst = 1
RegWrite
MemtoReg = 0
RegDst = 0
MemtoReg = 1
Start
ALUSrcA=0
IorD = 0
IRWrite
ALUSrcB = 01
ALUOp = 00
PCSrc = 00
ALUSrcA = 0
ALUSrcB = 11
ALUSrcB = 10
LW | SW
RRR
BEQ J LW SW IF ID EX
MEM WB
مثال چند سیکلی: and

36. مثال چند سیکلی :and

37. FSM: تخصیص حالتها
تخصیص حالت باعث تبدیل حالتهای منطقی به معادل دودویی آنها می شود.
اهمیت موضوع؟
اگر تخصیص حالت را درست انجام دهیم، مدار کنترلی حاصله کوچکتر خواهد بود.
پیدا کردن جواب بهینه سخت است.
در ماشین طراحی شده 10 حالت داریم.
می توان هر یک از اعداد 0 تا 15 را به هر کدام از حالتها تخصیص داد.

38. تخصیص حالت: سیگنال RegWrite
State 0
PCWrite
PCSource = 10
ALUSrcA = 1
ALUSrcB = 00
ALUOp = 01
PCWriteCond
PCSource = 01
ALUOp = 10
MemRead
IorD = 1
MemWrite
RegDst = 1
RegWrite
MemtoReg = 0
RegDst = 0
MemtoReg = 1
Start
ALUSrcA=0
IorD = 0
IRWrite
ALUSrcB = 01
ALUOp = 00
PCSrc = 00
ALUSrcA = 0
ALUSrcB = 11
ALUSrcB = 10
LW | SW
RRR
BEQ J LW SW IF ID EX
MEM WB
State 1
State 2
State 6
State 8
State 9
State 4
State 7
State 5
State 3
State 7 (0111b)
State 9 (1001b)
State 4 (0100b)
State 8 (1000b)
Original: 2 inverters, 2 and3s, 1 or2
New: No gates--just bit 3!

39. دستور lw Start IF ID EX MEM WB PCWrite PCSource = 10 ALUSrcA = 1
ALUSrcB = 00
ALUOp = 01
PCWriteCond
PCSource = 01
ALUOp = 10
MemRead
IorD = 1
MemWrite
RegDst = 1
RegWrite
MemtoReg = 0
RegDst = 0
MemtoReg = 1
Start
ALUSrcA=0
IorD = 0
IRWrite
ALUSrcB = 01
ALUOp = 00
PCSrc = 00
ALUSrcA = 0
ALUSrcB = 11
ALUSrcB = 10
LW | SW
RRR
BEQ J LW SW IF ID EX
MEM WB

40. دستور lw

41. دستور sw Start IF ID EX MEM WB PCWrite PCSource = 10 ALUSrcA = 1
ALUSrcB = 00
ALUOp = 01
PCWriteCond
PCSource = 01
ALUOp = 10
MemRead
IorD = 1
MemWrite
RegDst = 1
RegWrite
MemtoReg = 0
RegDst = 0
MemtoReg = 1
Start
ALUSrcA=0
IorD = 0
IRWrite
ALUSrcB = 01
ALUOp = 00
PCSrc = 00
ALUSrcA = 0
ALUSrcB = 11
ALUSrcB = 10
LW | SW
RRR
BEQ J LW SW IF ID EX
MEM WB

42. دستور sw

43. دستور (beq T) Start IF ID EX MEM WB PCWrite PCSource = 10 ALUSrcA = 1
ALUSrcB = 00
ALUOp = 01
PCWriteCond
PCSource = 01
ALUOp = 10
MemRead
IorD = 1
MemWrite
RegDst = 1
RegWrite
MemtoReg = 0
RegDst = 0
MemtoReg = 1
Start
ALUSrcA=0
IorD = 0
IRWrite
ALUSrcB = 01
ALUOp = 00
PCSrc = 00
ALUSrcA = 0
ALUSrcB = 11
ALUSrcB = 10
LW | SW
RRR
BEQ J LW SW IF ID EX
MEM WB

44. دستور (beq T)

45. دستور (beq NT)

46. دستور j Start IF ID EX MEM WB PCWrite PCSource = 10 ALUSrcA = 1
ALUSrcB = 00
ALUOp = 01
PCWriteCond
PCSource = 01
ALUOp = 10
MemRead
IorD = 1
MemWrite
RegDst = 1
RegWrite
MemtoReg = 0
RegDst = 0
MemtoReg = 1
Start
ALUSrcA=0
IorD = 0
IRWrite
ALUSrcB = 01
ALUOp = 00
PCSrc = 00
ALUSrcA = 0
ALUSrcB = 11
ALUSrcB = 10
LW | SW
RRR
BEQ J LW SW IF ID EX
MEM WB

47. دستور j

48. خلاصه پیاده سازی پردازنده پیاده سازی چند سیکلی بعدی: microprogramming
مسیر داده
کنترل
پیاده سازی چند سیکلی
بعدی: microprogramming