Aula 19: UCP: Construindo um Caminho de Dados (Parte III)

Fernanda Passos

Universidade Federal Fluminense

Fundamentos de Arquiteturas de Computadores

Material baseado nos slides do prof. Diego Passos

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Revisao

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Na Aula Passada. . .

Continuamos o projeto do caminho de dados do nosso processador.Tomamos varias decisoes de projeto.

I Tamanho da palavra.I Linhas de controle em cada componente.I Comportamentos especıficos de cada componente.I Numero de registradores de proposito geral.I (Ausencia de) ponto flutuante.I Codificacao de numeros negativos.I . . .

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Na Aula Passada. . . (II)

Tambem iniciamos a terceira fase do projeto.I A interconexao dos componentes.

Seguindo a estrategia de desenvolvimento incremental, comecamos do basico.I Como implementar a etada de busca de uma instrucao.I Fase comum a qualquer tipo de instrucao.

Demais etapas sao especıficas de cada tipo de instrucao.I Vimos, por exemplo, como executar uma instrucao do tipo R.

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Na Aula Passada. . . (III)

RI

RI[25-21]

RI[20-16]

RI[15-11]

Registrador

de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador

de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador

de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALU

Zero

Resultado

Controle

PC

Somador4

Memória de Instruções

Endereço

Instrução Lida

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Na Aula Passada. . . (IV)

Este esquematico e quase completo para a execucao de instrucoes do tipo R.Mas falta uma coisa:

I Determinar as linhas de controle da ALU.

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Na Aula de Hoje. . .

Eventualmente, veremos como conectar as linhas de entrada da ALU.Mas note que operacoes logicas/aritmeticas tambem sao necessarias para outros tipos deinstrucao.

I Diferentes do tipo R.I Como as instrucoes de desvio condicional.

Por isso, antes disso, veremos como implementar outras instrucoes.

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Instrucoes de Desvio Condicional

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Instrucoes de Desvio Condicional

Relembrando:I Nosso processador simplificado possui apenas uma instrucao deste tipo.I A instrucao branch on equal.I Semantica:

F Compara dois valores (em registradores).F Se forem iguais, altera o valor do PC.F Se forem diferentes, PC continua apontando para a proxima instrucao.

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Instrucoes de Desvio Condicional (II)

Alguns detalhes importantes:I A instrucao possui formato I.

F Recebe tres operandos: 2 registradores, 1 imediato (constante).I Se desvio for tomado, PC e incrementado no valor dado pelo imediato.

F Depois do incremento inicial.F E em unidades do tamanho da instrucao.F Isto e: PC ← PC + (imm + 1)× 4.

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Branch on Equal : Busca de Operandos

A instrucao compara dois valores.I Ambos em registradores.I Especificados nos bits da instrucao.

Logo, o banco de registradores serautilizado.Note que a instrucao nunca escreve emregistrador.

I Nao precisamos especifcar o ID doregistrador de escrita.

I E nem o valor.

RI

RI[25-21]

RI[20-16]

Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

Operando 1

Operando 2

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Branch on Equal : Execucao

A execucao em si consiste na comparacao dos dois valores e no calculo do novo PC.I Em caso de desvio.

Note que nenhum componente visto ate aqui realiza comparacoes.I Nem mesmo a ALU tem essa funcionalidade.

Mas podemos alcancar este mesmo efeito usando um truque.I Repare que nossa ALU tem duas saıdas: resultado e o bit zero.I Bit zero indica se operacao realizada deu zero.I Uma subtracao da zero se, e somente se, os operandos forem iguais.

Solucao:I Usamos a ALU para subtrair os dois valores.I Se o bit zero ficar ativo, valores sao iguais.

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Branch on Equal : Execucao (II)

A interconexao entre o banco de registradores e a ALU e identica aquela das instrucoes R.

Registrador

de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador

de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador

de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALU

Zero

Resultado

Controle

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Branch on Equal : Execucao (III)

Alem da comparacao, a execucao desta instrucao faz mais.E preciso calcular o novo valor do PC.

I Caso a condicao seja verdadeira.Relembrando o valor desejado para o PC:

I PC + (imm + 1) × 4.I Ou: PC + 4 + imm × 4.

Note que no processo de busca da proxima instrucao ja calculavamos PC + 4.I Se aproveitarmos aquele resultado, precisamos apenas soma-lo com imm × 4.

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Branch on Equal : Execucao (IV)

O valor do imediato vem dos 16 bits menos significativos da instrucao.Multiplica-lo por 4 e facil.

I Basta desloca-lo 2 bits para a esquerda.Para soma-lo com PC + 4, poderıamos usar a ALU.Mas nao vamos porque:

I Ja estamos usando a ALU para fazer a comparacao dos dois valores.I Precisarıamos de outra ALU para isso.I Mas basta um somador simples.

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Branch on Equal : Execucao (V)

Resumindo esta parte da execucao:

PC

Extensãode

Sinal

Deslocamentode 2 à

Esquerda

Somador

Somador

4RI

RI[15-0] 16 32

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Branch on Equal : Armazenando o Resultado

O resultado de uma instrucao de desvio e o novo valor de PC.I Ou PC + 4, ou PC + 4 + 4 × imm.

Ao final da instrucao este valor deve ser armazenado de volta no PC.Na etapa de armazenamento de resultado, portanto, precisamos:

I Decidir entre os dois valores.I Escrevermos este valor de volta no PC.

A decisao entre os dois valores e realizada com base no bit zero da saıda da ALU.

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Branch on Equal : Armazenando o Resultado (II)

PC

Extensãode

Sinal

Deslocamentode 2 à

Esquerda

Somador

Somador

4RI

RI[15-0] 16 32

Mux

0

1

ALUZero

Resultado

Controle

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Branch on Equal : Juntando Tudo

PC

Extensãode

Sinal

Deslocamentode 2 à

Esquerda

Somador

Somador

4RI

RI[15-0] 16 32

Mux

0

1

ALUZero

Resultado

Controle

RI[25-21]

RI[20-16]

Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

Memória de Instruções

Endereço

Instrução Lida

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Branch on Equal : Juntando Tudo (II)

Assim como ocorreu para as instrucoes R, este caminho de dados esta ainda incompleto.I As linhas de controle da ALU ainda estao desconectadas.

Como fizemos anteriormente, vamos deixar estas conexoes para mais tarde.

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Instrucao Add Immediate

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Instrucao Add Immediate

Relembrando:I Instrucao no formato I.

F Assim como a branch on equal que acabamos de ver.I Soma valor de um registrador com o imediato.I Armazena resultado em um registrador.

De certa forma, essa instrucao e uma mistura das instrucoes R com a instrucao de desviocondicional.

I Usa o mesmo formato da de desvio.I Mas executa uma operacao aritmetica e armazena resultado em registrador.

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Instrucao Add Immediate

Nossa implementacao para esta instrucao vai combinar as solucoes ja vistas.I Aproveitar a obtencao do imediato feita para a instrucao de desvio.I Usar o imediato como uma das entradas da ALU.I O restante da estrutura sera identica a projetada para as instrucoes do tipo R.

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Instrucao Add Immediate: Busca de Operandos

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

Operando 1

Operando 2

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Instrucao Add Immediate: Execucao

Execucao e trivial: deixamos por conta da ALU.

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALUZero

Resultado

Controle

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Instrucao Add Immediate: Armazenando o ResultadoSimplesmente conectamos a saıda da ALU ao valor a ser escrito no banco de registradores.ID do registrador para escrita vem diretamente dos bits 20–16 do RI.

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALUZero

Resultado

Controle

RI[20-16]

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Instrucao Add Immediate: Juntando Tudo

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALUZero

Resultado

Controle

RI[20-16]

PC

Somador

4

Memória de Instruções

Endereço

Instrução Lida

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Instrucao Add Immediate: Juntando Tudo (II)

Este caminho de dados e mais um que utiliza a ALU.Novamente, nao indicamos de onde virao as linhas de controle.Assim como fizemos nos outros casos, resolveremos isso depois.

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Instrucoes de Transferencia de Memoria

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Instrucoes de Transferencia de Memoria

Relembrando:I Ha duas instrucoes deste tipo: load word e store word.I Ambas usam o formato I: dois registradores e um imediato.I Em ambos os casos, o endereco da MP a ser acessado e dado por uma soma:

F Valor do primeiro registrador somado ao imediato.I O segundo registrador e a origem/destino do dado a ser transferido.

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: Busca de Operandos

Na instrucao load word, antes da execucao, precisamos determinar o endereco a seracessado.Na store word, adicionalmente, precisamos do valor a ser escrito.O endereco a ser acessado precisa ser calculado.

I Podemos usar a ALU para isso.I Ela nao sera necessaria para mais nada nestas instrucoes.

Para obter o valor a ser escrito na MP, basta passar o ID do registrador adequado para obanco de registradores.

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: Busca de Operandos (II)

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALUZero

Resultado

Controle

RI[20-16]

Endereço

Valor

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: ExecucaoDados o endereco a ser acessado e o valor a ser escrito (no caso da store word), aexecucao e trivial.Trabalho pesado e feito pela interface de acesso a MP.

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALUZero

Resultado

Controle

RI[20-16]

Endereço

Valor

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: Execucao (II)

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALUZero

Resultado

Controle

RI[20-16]

Endereço

Valor

Escrita Leitura

Memória de Dados

Endereço

Valor Escrito

Valor Lido

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: Armazenando os Resultados

Quais sao os resultados da execucao das instrucoes de transferencia de memoria?No caso da load word, a interface com a MP retornara o valor lido.

I Precisa ser armazenado no registrador adequado.No caso da store word o unico armazenamento e a propria escrita do dado na MP.

I Tarefa realizada pela interface com a MP.Logo, nesta etapa, para a CPU, basta conectar a saıda da interface com a MP, a entradado banco de registradores.

I O ID do registrador vem diretamente dos bits do RI.

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: Execucao (II)

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registrador de Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALUZero

Resultado

Controle

RI[20-16]

Escrita Leitura

Memória de Dados

Endereço

Valor Escrito

Valor Lido

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: Juntando Tudo

Extensãode

Sinal

RI

RI[15-0] 16 32

RI[25-21] Registrador de Leitura 1

Valor Lido 1

Registrador de Leitura 2

Valor Lido 2

Registradorde Escrita

Valor Escrito

Registradores

ALUZero

Resultado

Controle

RI[20-16]

Escrita Leitura

Memória de Dados

Endereço

Valor Escrito

Valor Lido

PC

Somador

4

Memória de Instruções

Endereço

Instrução Lida

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: Juntando Tudo (II)

Novamente, ainda nao indicamos de onde vem as linhas de controle da ALU.Pior: neste caso temos mais duas desligadas.

I As linhas de escrita e leitura da interface com a MP.

Mais uma vez, vamos deixar isso para a proxima aula!

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Instrucoes de Transferencia de Memoria: Juntando Tudo (II)

Novamente, ainda nao indicamos de onde vem as linhas de controle da ALU.Pior: neste caso temos mais duas desligadas.

I As linhas de escrita e leitura da interface com a MP.Mais uma vez, vamos deixar isso para a proxima aula!

Fernanda Passos (UFF) UCP: Caminho de Dados (III) FAC 38 / 38