1. Arhitektura i organizacija računara
organizacja procesora

2. Organizacija procesora
CPU se sastoji iz staze podataka i jedinice za upravljanje (CU).
Staza podataka se sastoji od registara i aritmetićko logičke jedinice (ALU)
Staza podataka obavlja operacije nad podacima
CU izdaje signale stazi podataka
Unutar CPUa podaci se prenose od jednog do drugog registra i izmedju ALU i registara.
Interni prenos podataka se obavlja preko lokalnih magistrala (bus) preko kojih se prenose podaci, instrukcije i adrese.
Eksterno, podaci se prenose između registara i memorije i U/I uređaja, uglavnom preko sistemske magistrale.
Interni prenos podataka između registara i ALU i registara se može ostvariti korišćenjem različitog broja lokalnih magistrala:
Jedne
Dve
Tri

3. Organizacija sa jednom magistralom
CPU registri i ALU koriste jednu magistralu za prenos podataka
Pošto se po magistrali u jednom trenutku (taktnom intervalu) može prenositi samo jedan podatak, binarne operacije zahtevaju dva ciklusa za pribavljanje operanada za ALU
Dodatni registri mogu biti potrebni da zapamte podake za ALU (registri A i B na slici)
Ovakva organizacija je najjednostavnija i najjeftinija, ali ima i najlošije performanse jer se ograničava broj jednovremenih prenosa

4. Organizacija sa dve magistrale
Brži prenos podataka nego sa jednom magistralom
GPR (registri opšte namene) su povezani na dve magistrale
Podaci se mogu prenositi iz dva različita registra na ulaze ALUa u istom trenutku (klok intervalu)
Može biti potreban dodatni registar da zapamti rezultat ALU operacije ako su obe magistrale zauzete.
Moguće je da jedna magistrala bude dodeljena za prenos podataka u registre, tj. za upis u registre (in-bus) a druga za prenos podataka iz registara, tj. za čitanje (out-bus)
U ovom slučaju neophodni su dodatni registri na ulazu u ALU da zapamte operand dok se drugi operand ne pribavi (pročita)
Izlaz iz ALUa može biti direktno povezan na in-bus i direktno obaviti prenos, tj. upis, u neki od registara opšte namene

5. Organizacija sa dve magistrale

6. Organizacija sa tri magistrale
U ovom slučaju se dve magistrale koriste za prenos izvornrih operanada iz registarkog fajla (out-bus1 i out-bus2) i posebna magistrala za prenos podataka koji treba da se upišu registarski fajl (In-bus).
Svaka od izlaznih magistrala je povezana na jedan od ALU ulaza.
Izlaz iz ALUa je direktno povezan na In-bus
Što je više magistrala, to se više podataka u jednom klok ciklusu može preneti
Povećanje broja magistrala povećava kompleksnost hardvera.

7. RISC arhitektura – globalni pogled
razmotrićemo implementaciju staze podataka organizovane oko tri interne magistrale (S1 i S2 za izvorne operande, Dest za odredišni operand – rezultat)

8. Staza podataka tipične (hipotetička) RISC arhitektura
32 registra opšte namene
Sve instrukcije su 32-bitne
tri formata (I, R,J)
Svaka instrukcija se izvršva u najviše 5 koraka
Pribavljanje (Instruction fetch – IF)
Dekodiranje instrukcije i pribavljanje operanda (Instruction decode – ID)
Izvršenje / izračunavanje efektivne adrese (EX)
obraćanje memoriji / okončanje grananja (MEM)
upis rezultata u registarski fajl (Write Back – WB)
razmotrićemo implementaciju staze podataka organizovane oko tri interne magistrale (S1 i S2 za izvorne operande, Dest za odredišni operand – rezultat)

9. I format instrukcija
I format (load, store, branch, ALU operacije sa neposrednim operandom) OP
Rs1 Rd
Immed
OP – kod operacije
Rs1 – izvorni operand za ALU
- bazni registar za generisanje memorijske adrese kod load i store
- registar čiji se sadržaj testira za slučaj barnch
Rd – polje odredišnog registra za slučaj ALU op. i load
- polje regista čiji se sadržaj pamti u mem. za slučaj store
Rd=0 za branch
Immed – neposredni operand:
drugi operand za slučaj ALU instrukcije;
pomeraj koji se dodaje baznom registru za slučaj load i store instrukcija
pomeraj koji se dodaje programskom brojaču za slučaj naredbe grananja (branch)

10. Primer I formata instrukcija
LW R1, 30 (R2) dejstvo R1 Mem[30 +[R2]]
SW 500(R4), R3 dejstvo Mem[500+[R4]] [R3]
ADDI R1,R2,#3 dejstvo R1 [R2]+3
BEQZ R1, ime dejstvo if R1=0 then PC  PC+ime rd
Imm
Rs1

11. R format instrukcija R format (ALU operacije tipa registar-u registar) OP
Rs1
Rs2 Rd
funkcija
OP+ funkcija – kod operacije
Rs1 – prvi izvorni operand za ALU
Rs2 – drugi izvorni operand
Rd – polje odredišnog registra
PRIMER: ADD R1,R2,R3 dejstvo R [R1]+[R2]

12. J format instrukcija J format – jump instrukcija OP– kod operacije OP
offset (pomeraj)
OP– kod operacije
offset – pomeraj koji se dodaje PC
PRIMER: JMP ime dejstvo PC  PC+ime

13. Faze izvršenja
Svaka integer instrukcija RISC procesora se može obaviti za najviše pet klok ciklusa:
1 Instruction fetch cycle (IF):
IR ¬ Mem[PC]
NPC ¬ PC + 4
Dekodiranje instrukcije i pribavljanje operanda (ID):
A ¬ Regs[Rs1];
B ¬ Regs[Rs2];
Imm ¬ ((IR16)16##IR ) sign-extended immediate field of IR
Napomena: IR (instrukcioni registar), NPC (next sequential program counter register) A, B, Imm su privremeni registri
Izvršenje svake instrukcije obavlja se najviše u 5 faza. Tokom svake faze obavlja se niz elementarnih aktivnosti za koje su zaduženi odgovarajući delovi staze podataka. Te elementarne aktivnosti nazivamo mikrooperacijama. Svaka mikrooperacija aktivira određene upravljačke linije (signale) elemnata hardvera koji učestvuje u obavljanju određenih mikrooperacija. Upravljačke signale generiše upravljačka jedinica (CU) procesora.

14. Faze izvršenja- nastavak
Execution/Effective address cycle (EX):
Memory reference:
ALU Output ¬ A + Imm;
Register-Register ALU instruction:
ALUOutput ¬ A func B;
Register-Immediate ALU instruction:
ALUOutput ¬ A op Imm;
Branch:
ALUOutput NPC + Imm;
Cond ¬ A op 0 (op je relacioni operator definisan kodm instrukcije)

15. Faze izvršenja- nastavak
Obraćanje memoriji /okončanje grananja (MEM):
Obraćanje memoriji:
LMD ¬ Mem[ALUOutput] ili
Mem[ALUOutput] ¬ B;
Branch:
if (cond) PC ¬ ALUOutput else PC ¬ NPC
napomena: LMD (load memory data) register

16. Faze izvršenja- nastavak
Write-back cycle (WB) – upis u registarski fajl:
Register-Register ALU instruction:
Reg[IR16..20] ¬ ALUOutput;
Register-Immediate ALU instruction:
Reg[IR11..15] ¬ ALUOutput;
Load instruction:
Reg[IR11..15] ¬ LMD;
Napomena: LMD (load memory data) register

17. Implementacija staze podataka
Bez obzira na razlike između instrukcija, najveći deo posla koji treba da se obavi je isti, nezavisno od klase instrukcija.
Za svaku instrukciju prva dva koraka su identična:
Pribavljanje instrukcije na osnovu sadržaja PC
Čitanje jednog ili dva registra korišćenjem odgovarajućih polja u instrukciji kojima se selektuju registri.
Nakon ova dva koraka, akcije potrebne za okončanje izvršenja instrukcija zavise od klase instrukcija.
Na sreću, akcije su slične za sve tri klase instrukcija, nezavisno od koda operacije

18. Komponente potrebne za implementaciju procesora
sabirači i aritmetičko-logičke jedinice,
multiplekseri i demultiplekseri,
proširivači,
registri i polja registara,
memorije.
Za implementaciju procesora biće nam potrebne sledeće komponente:
– sabirači i aritmetičko-logičke jedinice,
–multiplekseri i demultiplekseri,
– pomerači i proširivači,
– registri i polja registara,
–memorije.

19. Sabirači i aritmetičko-logičke jedinice
Sabirač dva 32-bitna broja i jednobitnog ulaznog prenosa. Daje 32-bitni zbir i jednobitni izlazni prenos
Aritmetičko-logička jedinica obavlja operacije sabiranja, oduzimanja, formiranje dvoičnog komplementa, logičke operacije I, ILI, NE i poređenja.
Generiše 32-bitni rezltat i 1-bitni signal ako je rezultat 0.
Zahtevana operacija određuje se preko ALUoperation upravljačkih ulaza.
ALUresult32  A32 Op B32 32 32 32 32 32 32

20. Multiplekseri i demultiplekseri
Multiplekser preko adresnih ulaza Adr bira ulaze podataka (A ili B) koje spaja sa izlazom Y
•Demultiplekser preko adresnih ulaza Adr bira izlaze podataka (A ili B) koje spaja sa ulazom X.

21. proširivač
Proširivač dopisuje ispred 16-bitnog podatka još 16 bitova, koji predstavljaju cifru znaka
Primeri
16-bitni podatak proširiti znakovno
znakovno proširenje 16 32
proširivač
(Sign extend)

22. Registri i polja registara
Registar pamti 32-bitni podatak.
Upis podatka se taktuje.
Sadržaj registra stalno raspoloživ na izlazu.
Polje registara sa 32 registra dužina po 32 bita.
RegWrite dozvola upisa.
Upis podatka preko ulaznog porta se taktuje.
Na izlaznim portovima podaci stalno prisutni 32 32
registar
clk

23. Primer polja sa 4 registra

24. Memorija Posebna memorija za instrukcije i podatke.
Adresa određuje memorijsku lokaciju kojoj se pristupa.
Upis podatka obavlja pri dozvoli upisa i taktnom signalu (MemWrite).
Čitanje: signal MemRead i taktni signal

25. Instruction fetch cycle (IF):
Deo staze podataka za pribavljanje instrukcije i inkrementiranje sadržaja programskog brojača
Instruction fetch cycle (IF):
IR  Mem[PC]
NPC  PC + 4

26. Deo staze podataka potreban za implementaciju grananja
ALUOutput  NPC + Imm;
Cond  A op 0 (op je relacioni operator definisan kodm instrukcije)
Za izvršenje naredbe granaja neophodno je obaviti dve operacije: izračunavanje ciljne adrese naredbe grananja, ako granaje treba da se obavi, i izračunavanje uslova granaja (poređenje sadržaja registra na 0)
Da bi se izračunala adresa naredne isntrukcije, koristi se jedinica za znakovno proširivanje proširivanje (sign extend) i sabirač.
Da bi se obavilo poređenje, koristi se registarski fajl da bi se pribavio registar čiji se sadržaj testira i ALU koja obavlja testiranje
Plavom boju su označeni neophodni upravljački signali: RegWrite daje dozvolu upisa u registarski fajl; ALUoperation definiše koju operaciju treba da obavi ALU

27. Deo staze podataka potreban za implementaciju load/store i ALU instrukcija
ALU instrukcije kao ulazne operande koriste dva registra, ili registar i znakovno prošireni operand.
Instrukcije za obraćanje memoriji takođe koriste ALU da bi izračunale memorijsku adresu operanda. Jedan operand je iz registra a drugi se dobija znakovnim prošenjem neposrednog operanda.
Plavom bojom su označeni neophodni upravljački signali:
RegWrite – dozvola upisa u registarski fajl
ALUSrc definiše šta je drugi operand ALU instrukcije (registar ili znakovno prošireni neposredni operand)
ALUoperation – definiše koju operaciju obavlja ALU (sabiranje, poređenje,oduzimanje, i, ili,..) ovo se direktno dobija na osnovu polja kod operacije.
MemWrite signal dozvole upisa u memoriju
MemRead signal dozvole čitanja memorije
MemtoReg signal koji određuje da li se u registarski fajl upisuje vrednost pribavljena iz memorije (ako se izvršina naredba load) ili vrednost sa izlaza ALUa (ALU rezult) ako se izvršila ALU instrukcija.

28. Izgled kompletne staze podataka
Da bi se u stazu podataka integrisali svi delovi, neophodno je bilo dodati još jedan multiplekser zbog naredbe grananja (oderćuje koji će se sledeći sadržaj PC koristiti). Upravljački signal PCSrc definiše koja vrednost će odrediti sledeći sadržaj PC (naredba sa ciljne adrese naredbe grananja za slučaj da do grananja dolazi, ili sledeća instrukcija koja sledi neposredno iza izvršene instrukcije)

29. Izgled staze podataka sa označenim resursima koji se koriste u svakoj od faza izvršenja instrukcije

30. [0-5]
[6-10]
[11-15]
[16-20]
[16-31]
[21-31]
staza podataka sa upravljačkom jedinicom (CU). Ulaz u CU je 6-to bitni kod operacije pribavljene instrukcije. Izlazi iz CU se sastoje od 1-bitnih signala koji se koriste da upravljaju radom multipleksera (RegDst, ALUSrc i MemtoRg), tri signala za upravljanje čitanjima i upisima u registarski fajl i memoriju za podatke (RegWrite,MemRead, MemWrite), 1-bitni signal koji se koristi da bi se odredilo da li dolazi do grananja ili ne (Branch), signali za definisanje ALU operacije (ALUop). AND kolo se koristi da kombinuje branch upravljački signal i Zero izlaz iz ALUa. Izlaz iz AND kola predstavlja selektorski signal za multiplekser kojim se selektuje koji će biti sledeći sadržaj programskog brojača(PC)

31. Upravljačka jedinica procesora (Control Unit –CU)
U svakoj od fauza izvršenja instrukcije obavlja se niz elementarnih aktivnosti koje nazivamo mikrooperacijama
Mikroperacija može biti prenos podataka iz jednog u drugi registar CPUa, čitanje podatka iz memorije ili upis podatka u memoriju, elementarne operacije nad podacima i drugo.
npr.
A  Regs[Rs1];
ALUOutput  A func B
LMD  Mem[ALUOutput] ili
Mem[ALUOutput]  B;
Svaka mikrooperacija aktivira određene upravljačke tačke elemenata hardvera koji učestvuje u izvršenju određenih mikrooperacija.
Funkcija upravljačke jedinice je generisanje odgovarajućih upravljačkih signala, u odgovarajućim vremenskim trenutcima, koji su neophodni za rad računara
Upravljački signali se mogu generisati na dva načina
hardverski (tvz. upravljačke jedinice sa direktnim upravljanjem)
upravljačka jedinica je realizovana kao sekvencijalno logičko kolo
mikroprogramski
upravljački signali se nalaze u posebnoj memoriji (mikro-programska memorija) koja može biti realizovna kao ROM ili RAM memorija
Mikroprogramsko upravaljanje se realizuje pomoću sekvence mikroinstrukcija

32. Model upravljačke jedinice
Bez obzira da li se radi o hw ili mikroprogramskoj organizaciji upravljačke jedinice, opšti oblik je prikazan slici
Ulazi u CU
kod operacije pribavljene instrukcije (nalazi se u instrukcionom registru)
Flags –upravljački signali iz registra koda uslova (CCR)
signali sa sistemske magistrale (npr prekidi od U/I uređaja)

33. hardverska implementacija
Različiti upravljački signali treba da se aktiviraju u različitim vremenskim trenucima
kod hardverske implementacije se koristi kružni brojač koji definiše trenutke aktiviranja pojedinih signala

34. Osobine hardverske implementacije
kompleksnost sekvenciranja i logike ako je veliki skup instrukcija
otežano projektovanje i testiranje
nefleksibilan dizajn – tečko je dodati nove instrukcije u već projektovanu CU
Kada je jedanom projektovana, male promene zahtevaju potpuni redizajn kola
Glavna prednost je brzina rada i to je razlog što se ova tehnika koristi za realizaciju brzih procesora

35. Karakteristike mikroprogramskog upravljanja
Skup upravljačkih signala zajedno sa sekvencirajućom informacijom smešta se u memoriju
Memorija može biti ROM ili RAM tipa i naziva se mikroprogramska memorija (microprogramme memory ili control memory)
Mikroprogramsko upravaljanje se realizuje pomoću sekvence mikroinstrukcija
prednosti
Izmene se izvode brže
Greške se lakše otklanjaju
Projektovanje i održavanje računara je pojednostavljeno
Koristeći mikroprogramsku emulaciju moguće je ostvariti kompatibilnost sa drugom mašinom
Nedostatak
sporije izvršenje instrukcija

36. Mikroprogramsko upravljanje
Za svaku instrukciju iz skupa instrukcija date arhitekture, postoji poseban mikro-program zapamćen u mikro-programskoj memoriji. Svaka mikro-instrukcija definiše upravljačke signale koji aktiviraju u datom trenutku.
Na osnovu koda operacije instrukcije se dobija startna adresa mikro-programa u m-memoriji za datu instrukciju. Mikro-program može imati linijsku strukturu, ali može imati i naredbe grananja i skoka. Adresa sledeće m-instukcije se odrećuje logikom za sekvenciranje: to može biti naredna instrukcija u nizu (dresa se dobija inkrementiranjem sadržaja mikroprogramskog adresnog registra) ili adresa iz polja naredne adrese (adresa grananja)

37. Organizacija mikroprogramske memorije
Ako imamo m instrukcija u ISA, I0 do Im-1, onda postoji m različitih mikro-programa, mp0 do mpm-1, zapamćenih u memoriji
Svaki mikro-program ima različitu adresu u mikroprogramskoj memoriji.
Da bi se izvršila instrukcija, mikroprogramski upravljani procesor pristupa ovoj memoriji da bi pronašao skup mikroinstrukcija potrebnih za implementaciju instrukcije Ii
startna adresa se dobija na osnovu koda operacije pribavljene instrukcije (nakon okončanja faze dekodiranja instrukcije).

38. Izgled mikroprogramske memorije: za m instrukcija, postoji m mikroprograma, pri čemu je svaki zapamćen na različitoj adresi u mikroprogramskoj memoriji

39. Format mikroinstrukcija
polje upravljačkih signala
polje adrese sledeće mikroinstrukcije
Horizontalni format
koristi se po jedna binarna pozicija za svaki upravljački signal
mogu bitiveoma duge instrukcije, tipično bitova
visok stepen paralelizma u radu (jednom instrukcijom se može definisati ALU operacija, prenos ka/iz memorije, prenos između registara)
upravljački signali sa izlaza registra mikroinstrukcija direktno se vode do upravljačkih tačaka u stazi podataka procesora
Vertikalni format (ili maksimalno kodirani format)
mikroinstrukcijom se kodira jedna operacija (akcija)
npr prenos iz registra u registar (R1R2)
obavlja operacija (R1R2+R3)
neophodno je definisati skup svih mikrooperacija i svaku kodirati
sa n bitova može se kodirati 2n mikroisntrukcija
mnogo su kraće instrukcije (12 do 32 bita)
zahteva se korišćenje dekodera
manje fleksibilno
dodavanje nove instrukcije zahteva promenu dekodera

40. Horizontalni format

41. vertikalni format

42. Jednostavni primer projektovanja CU
hardverska CU
- mikroprogramska CU

43. Model jednsotavnog računara
Accumulator
ALU
Register B PC
MAR
MDR
RAM IR
Control 8 12 4
Bus R W LM IP LP EP LD ED LA EA S A EU LB LI EI

44. E (enable)= pošalji sadržaj registra na magistralu (bus)
L = napuni registar
E (enable)= pošalji sadržaj registra na magistralu (bus)
A, S ( Add, Subtract) – sabiranje, oduzimanje
Bit znaka iz ACC za control unit
IP = Increment PC
ACC
ALU B PC
MAR
MDR
RAM IR
Control
Bus R W LM IP LP EP LD ED LA EA S A EU LB LI EI
Da bi se obavio prenos iz jednog registra u drugi neophodno je prvo postaviti sadržaj registra na magistralu (aktivirati signal E- enable), a zatim dozvoliti da se sa magistrale izvrši upis u registar (aktivirati signal L –load) .
Npr da bi se sadržaj preneo iz registra MDR u ACC potrebno je prvo aktivirati signal ED, a zatim signal LA.

46. Hardverska CU IR Decoder Control Matrix Ring Counter T5 T0 Halt Opcode
LDA
STA
ADD
SUB
MBA
JMP JN
Ring Counter NF T5 T0
Halt
Opcode
Control Signals
CLK

47. implementacija kružnog brojača

48. trenutci aktiviranja pojedinih signala

49. implementacija dekodera

50. izgled upravljačke matrice

51. jednačine na osnovu kojih se dobija uprvljačka matrica

52. Mikroprogramska jedinica