MIPS-2

Seccin de procesamiento: El camino de datos

Montse Bo Cepeda

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2Estructura del curso

1. Evolucin y caracterizacin de los computadores.2. Arquitectura del MIPS: Introduccin.3. Tipo de datos.4. El repertorio de instrucciones.5. Aritmtica del computador.6. El camino de datos.7. Seccin de control.8. El camino de datos multiciclo.9. Seccin de control multiciclo.10. Entrada/Salida (I/O).

3Esquema de contenidos

1. Estructura bsica del procesador2. El ciclo de instruccin3. Diseo de un procesador sencillo

4Estructura bsica de un procesador

CONTROL

ALU

MEMORIA

ENTRADA/SALIDA

PROCESADORArquitectura Von Neumann


El procesador es el que se encarga de ejecutar las instrucciones especificadas por el programa.

Funciones bsicas: Captar instrucciones. El procesador debe leer instrucciones

de la memoria Interpretar instrucciones. La instruccin debe decodificarse

para determinar qu accin es necesaria Captar datos. La ejecucin puede exigir leer datos de la

memoria o de un mdulo de E/S Procesar datos. La ejecucin de una instruccin puede exigir

llevar a cabo alguna operacin aritmtica o lgica Escribir datos. Los resultados de una ejecucin pueden tener

que ser escritos en la memoria o en un mdulo de E/S


El procesador se compone de varias partes:1. Unidad de control2. Unidad aritmtico-lgica3. Un banco de registros4. Otros registros internos:

El contador de programa (PC) Registro de instrucciones (IR)

5. Buses, multiplexores, memorias


ALU

Unidad

Control

Registros

Seales de control

Datos

Seales de control

Seales control del bus

Datos (resultados)

Datos (operandos)

Bus direcciones Bus datos

8Metodologa de sincronizacin El camino de datos se basa en transferencias/computaciones

entre registros: Elementos combinacionales:

Su salida depende nicamente de las entradas Ejemplo: ALU (sumador, multiplexor, desplazador,)

Elementos secuenciales: Operan sobre el estado del sistema. La salida depende de la entrada y del estado. Ejemplo: Memorias y registros

La metodologa de sincronizacin define cundo pueden leerse y escribirse la diferentes seales

Asumimos sincronizacin por flancos

9Metodologa de sincronizacinEstrategia de sincronizacin por flancos

Estado 1 Estado 2Lgica

combinacional

Ciclo de reloj

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El ciclo de instruccin

El procesamiento que requiere una instruccin se denomina ciclo de instruccin.

Ciclo bsico de instruccin:INICIO

FIN

Captura dela instruccin

Ejecucin de la instruccin

Ciclo de captacin

Ciclo de ejecucin

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Diseo del camino de datos Vamos a construir un camino de datos y su unidad de control para dos

realizaciones diferentes de un subconjunto del repertorio de instrucciones del MIPS:

Instrucciones de acceso a memoria: lw, sw Instrucciones aritmtico-lgicas: add, sub, or, slt Instruccin de salto condicional: beq Instruccin de salto incondicional: j

PC Direccin

InstruccinMemoria de instrucciones

RegistrosDatos

n de registron de registron de registro

ALUMemoria de

datos

Direccin

Datos

12

Contador de programa

El camino de datos implementa el ciclo completo de instruccin: carga-decodificacin-ejecucin.

Cada instruccin est en una posicin de memoria especfica. Contador de programa:

Almacenamos la direccin de la instruccin en el PC. Tras procesar una instruccin, avanzamos el contador hasta la siguiente

instruccin. Elementos para la bsqueda de instrucciones y el incremento del

contador de programa:

PC Instrucci n

Direcci n de la instrucci n

Memoria de instrucciones

SumadorSuma

13

Contador de programa

SumadorSuma

Instrucci n

Direcci n


PC

4 Incrementando PC

14

Instrucciones aritmtico y lgicas

TIPO R: Operaciones aritmticas y lgicas

op rs rt rd shamt funct

6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits

TIPO R

Campos:op: cdigo de operacin.rs: primer registro operando fuentert: segundo registro operando fuenterd: registro operando destinoshamt: tamao de desplazamiento (shift amount)funct: cdigo de funcin.

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Elementos bsicos para la realizacin de instrucciones tipo R

R

E

G

I

S

T

R

O

S

Reg. de lectura 1

Reg. de lectura 2Reg. de escritura 1 Dato a

escribir

Dato le do 1

Dato le do 2

5

5

5

EscribirReg

Numero de registro

Dato

Datos ALU CeroResultado de la ALU

Control de la ALU

3

16


ALU CeroResultado de la ALU

Control de la ALU

3

R

E

G

I

S

T

R

O

S

Reg. de lectura 1


escribir

Dato le do 1

Dato le do 2

EscribirReg

Instrucci n

Operaciones tipo R: Involucran tres registros: dos de lectura y uno de escritura. Usan la ALU para realizar operaciones

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Instrucciones de carga y almacenamiento

Ejemplo: lw $t1, offset($t2) Direccin almacenada en $t2 + offset lw: Lectura memoria, escritura en registro $t1

Computacin de la direccin: Extensin del signo del offset (16-bits) a una palabra de 32

bits con signo

Requerido hardware para la extensin de signo

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Load: realiza un acceso al banco de registros, calcula la direccin de memoria, lee de memoria y escribe en el banco de registros

Store: realiza un acceso al banco de registros, calcula la direccin de memoria, lee del banco de registros y escribe en memoria.

Elementos para la realizacin de loads y stores, adems del banco de registros y la ALU

Direcci n

Memoria de datos

Dato a escribir

Dato le do

LeerMem

EscribirMemEntensi n de signo

16 32

1101 0011 1111 1111 1111 1111 1101 0011

19


R

E

G

I

S

T

R

O

S

Reg. de lectura 1


escribir

Dato le do 1

Dato le do 2

EscribirReg


Control de la ALU

3

Direcci n

Memoria de datos

Dato a escribir

Dato le do

LeerMem

EscribirMem

Entensi n de signo

16 32

Instrucci n

20

Salto condicional

Ejemplo: beq $t1, $t2, offset Se evala si dos registros contienen el mismo valor ($t1, $t2)

El salto es relativo. El offset es con signo y de 16 bits y tiene que realizarse una extensin de signo.

Direccin de salto: La direccin base es la siguiente a la instruccin del salto

(PC+4) Hacer un desplazamiento de 2 posiciones a la izquierda del

offset (slo se direccionan palabras completas) Suma el offset desplazado, con extensin de signo, al PC

incrementado (PC+4)

21

Salto condicional

R

E

G

I

S

T

R

O

S

Reg. de lectura 1


escribir

Dato le do 1

Dato le do 2

EscribirReg

ALUCero

Control de la ALU

3

Decidir si se hace el salto

Entensi n de signo

16 32

Instrucci n

Desp. 2 bits a la izq.

Sumador

Resultado Destino de salto

PC + 4 del camino de datos de instrucciones

22

Diseo del camino de datos

Para construir el camino de datos hemos de combinar los elementos explicados anteriormente que permiten implementar: Instrucciones de acceso a memoria: lw, sw Instrucciones aritmtico-lgicas: add, sub, or, slt Instruccin de salto condicional: beq Instruccin de salto incondicional: j

Reutilizacin del hardware: hardware compartido selecciona los datos mediante multiplexores

Parte del hardware no se podr reutilizar y habr que replicarlo

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Diseo del camino de datos

Camino de datos para instrucciones de memoria y aritmtico-lgicas

R

E

G

I

S

T

R

O

S

Reg. de lectura 1


escribir

Dato le do 1

Dato le do 2

EscribirReg


Control de la ALU

3

Direcci n

Memoria de datos

Dato a escribir

Dato le do

LeerMem

EscribirMem

Entensi n de signo

16 32

Instrucci n

MU X

MU X

Fuente ALUMem2reg

24

Diseo del camino de datosIncorporando contador de programa

R

E

G

I

S

T

R

O

S

Reg. de lectura 1


escribir

Dato le do 1

Dato le do 2

EscribirReg


Control de la ALU

3

Direcci n

Memoria de datos

Dato a escribir

Dato le do

LeerMem

EscribirMem

Entensi n de signo

16 32

MU X

MU X

Fuente ALUMem2reg

SumadorSuma

Instrucci n

Direcci n


PC

4

25

Diseo del camino de datosAadimos saltos condicionales

R

E

G

I

S

T

R

O

S

Reg. de lectura 1


escribir

Dato le do 1

Dato le do 2

EscribirReg


Control de la ALU

3

Direcci n

Memoria de datos

Dato a escribir

Dato le do

LeerMem

EscribirMem

Entensi n de signo

16 32

MU X

MU X

Fuente ALUMem2reg

SumadorSuma

Instrucci n

Direcci n


PC

4Sumador

SumaDesp. 2 bits

a la izq.

MU X

Origen PC

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