1. Circuitos Digitales II The General Computer Architecture The MIPS single-cycle datapath Semana No.8 Semestre 2008-2 Prof. Eugenio Duque eaduque@udea.edu.co Prof. Gustavo Patiño gpatino@udea.edu.co Departamento de Ingeniería Electrónica Facultad de Ingeniería

2. The General Computer Architecture An overview of the cpus Datapath unit: The single-cycle datapath as an introduction to the multicycle (pipeline) datapath.

3. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 General Computer Architecture Having studied numbers, combinational and sequential logic, and assembly language programming, we begin the study of the overall computer system.

4. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 The ALU or DataPath

5. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 The Central Processor Unit (CPU)

6. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 The ALU

7. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 The MIPS computer : An example of Bit- Slicing The MIPS 32-bit ALU processing unit is simply an amalgam 0f 32 1-bit processors.

8. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 ALU components

9. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 ALU components (…cont)

10. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 The Program Counter Architecture

11. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 More ALU components

12. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 ALU Arquitecture for Processing

13. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 More ALU components – Data Memory

14. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 The Sign Extender

15. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Data Bus Connection in a Load Instruction

16. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Data Bus Connection in a Store Instruction

17. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Branch Instructions

18. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Conditional Branch Circuit

19. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Jump Instruction

20. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Jump ALU Path

21. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Combining the Elements to Make a Complete ALU

22. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Data Buses and ALU Register/Register Functions

23. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Load/Store Functions (Read or Write)

24. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Adding the Instruction Fetch Circuit

25. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Completing ALU Design

26. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 The Single-Cycle ALU What we have accomplished in this ALU design is to come up with all the processing hardware necessary to implement the MIPS instruction set. Note that we have NOT considered the control circuits (that tell the ALU what to do), and will cover those next lecture. This basic MIPS processor design is referred to as the single cycle ALU (or sometimes the single cycle CPU). Why is this? The reason is that this MIPS CPU (more or less the original implementation of the MIPS instructions) is designed so that ANY instruction can be processed in one cycle of the CPU clock. Lets consider how this single cycle CPU works.

27. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 The Single-Cycle ALU (…cont) Consider what happens when the clock ticks. The PC is already updated. The instruction at memory location [PC] is retrieved. [PC] [PC+4] Instruction is decoded/registers are identified (operands). Register output buses send data into ALU; ALU function is identified. Register data flows through the ALU and is processed. (In loads/stores, data memory is accessed for load or store.) The memory or ALU results are stored back in a register, if necessary. Since the ALU is basically combinational logic, the tick of the clock governs ALU register behavior, which times the process. A single clock cycle is from rising to rising or falling to falling edge of the clock. Let us use falling to falling as the reference (remember: a master-slave ffs output changes on the falling edge of the lock).

28. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Single Cycle Timing

29. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Single Cycle Timing (…cont)

30. Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia 2008-2 ALU Design Summary