BM-311 Bilgisayar MimarisiMAR içeriğini adres bus’ aktaracak kapı devreleri açılır. Kontrol bus’a hafıza okuma iúareti yerleútirilir. Kontrol sinyalleri data bus’taki

1

BM-311 Bilgisayar Mimarisi

Hazırlayan: M.Ali Akcayol

Gazi Üniversitesi

Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle

Mikroişlemcinin denetimi

Kontrol birimi sinyalleri

Hardwired kontrol birimi

2

Giriş

Mikroişlemciler instruction’ları çalıştırırken çok sayıda alt işlemi gerçekleştirir.

Bir komut kümesi oluşturulduktan sonra her komut için yapılacak alt işlemlerin donanımsal veya yazılımsal olarak tasarlanması gereklidir.

Bir mikroişlemcinin instruction’ları çalıştırmak için mikroişlemci dışındaki bileşenleri de bilmesi gereklidir.

Aşağıdaki bileşenler mikroişlemcinin fonksiyonel ihtiyaçları olarak tanımlanır:

Opcode’lar

Adresleme modları

Register’lar

I/O module arayüzleri

Memory modül arayüzleri

Interrupt’lar

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle




3

Mikro işlemler

Bir programı çalıştırırken her komut için instruction cycle tekrarlanır.

Programın çalıştırılması sırasında komutların yazıldığı sırada çalıştırılmazlar.

Programın çalıştırılması sırasında zamana sıralı olarak çalıştırılırlar.

Her bir instruction, belirli sayıda küçük iş parçaları halinde oluşturulur.

Bu küçük iş adımlarına mikro işlem (micro-operation) denilmektedir.

Mikro işlemler

Mikro işlemler bir mikroişemcinin atomik işlemleridir.

Bir program çalıştırılırken her instruction için alt işlemler sırasıyla yerine getirilir.

4

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle




Fetch cycle

Fecth cycle her komut döngüsünün başlangıcında gerçekleşir.

Mikroişlemcide MAR, MBR, PC ve IR bulunmaktadır.

MAR (Memory Address Register): Hafıza üzerindeki okuma ve yazma adresini tutar.

MBR (Memory Buffer Register): Hafızadan okunan veya hafızaya yazılan verinin tutulduğu kayıtçıdır.

PC (Program Counter): Sonrak ikomutun adresini tutar.

IR (Instruction Register): Fetch edilen son komutun tutulduğu kayıtçıdır.

5

Fetch cycle

Fetch cycle aşağıdaki alt işlemler ile gerçekleştirilir.

1

2

3

Fetch cycle

Fetch cycle aşağıdaki sıralı zaman aralıklarında gerçekleştirilir.

Alternatif 1

Alternatif 2

6

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle




Indirect cycle

Indirect cycle’da aşağıdaki işlemler zaman sıralı gerçekleştirilir:

komut içerisindeki adres alanındaki değer ile hafızaya gidilir.

Hafızadan okunan değer MBR’a aktarılır.

MBR’daki adres değeri komut içerisindeki adres olarak güncellenir.

7

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle




Interrupt cycle

Interrupt cycle’da aşağıdaki işlemler zaman sıralı gerçekleştirilir:

PC değeri MBR’a aktarılır.

Mevcut adres, hafızada belirlenen adrese (Save_Address) saklanır.

Interrupt için atlanacak adres PC’a aktalır.

MBR’a aktarılan dönüş adresi hafızada belirlenen adrese (Save_Address) aktarılır.

8

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle




Execute cycle

Fetch cycle, indirect cycle ve interrupt cycle basittir ve belirsizlik yoktur.

Execute cycle’da yapılacak işleme göre hem zaman aralığı sayısı hem de sıralama farklı olmaktadır.

ADD komutu aşağıdaki gibi gerçekleştirilir:

Komut içerisindeki adres MAR’a aktarılır.


Toplama işlemi execute edilir.

9

Execute cycle

ISZ komutu aşağıdaki gibi gerçekleştirilir:



MBR değeri 1 artırılır.

MBR değeri hafızaya aktarılır.

Toplama işlemi execute edilir.

MBR=0 ise PC değeri Instruction boyutu kadar artırılır.

Execute cycle

BSA (Branch and Save PC Address) komutu aşağıdaki gibi gerçekleştirilir:


PC değeri MBR’a aktarılır

Komut içerisindeki adres PC’a aktarılır.

MBR değeri hafızaya aktarılır.

PC değeri Instruction boyutu kadar artırılır.

10

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle




Instruction cycle

Instruction cycle’ın her aşaması zamana göre sıralı küçük işlemler halinde gerçekleştirilir.

Her aşama için sadece bir tane sıralı işlem kümesi vardır.

Her komut için opcode içerisinde kendisine ait kod oluşturulur.

Her aşama için aşağıdaki komut döngü kodlarının (instruction cycle code - ICC) atandığını varsayalım:

00: Fetch

01: Indirect

10: Execute

11: Interrupt

11

Instruction cycle

Instruction cycle için akış şeması aşağıdaki gibi tanımlanabilir.

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle


Kontrol birimi


12


Fonksiyonel gereksinimler

Mikroişlemci tasarımında öncelikle kontrol biriminin fonksiyonel gereksinimleri belirlenir.

Fonksiyonel gereksinimler kontrol biriminin yapmak zorunda olduğu işlerdir.

Mikroişemcinin tasarımında aşağıdakilerin belirlenmesi gereklidir:

İşlemcinin temel bileşenlerinin tanımlanması

İşemcinin mikro işlemlerinin belirlenmesi

Mikro işlemlerin gerçekleşmesi için kontrol biriminin yapması gereken işlevlerin tanımlanması


İşlemcinin temel bileşenleri

Aşadığıda işlemcinin temel bileşenleri verilmiştir:

ALU: Temel aritmetik mantık işlem birimi

Register’lar: İşlemci içerisinde internal veri saklama birimleri

Internal data paths: Register’lar arasında veya register’lar ile ALU arasında veri aktarımı için kullanılır.

External data paths: Register’lar ile hafıza ve I/O modülleri arasında veri aktarımı için kullanılır.

Control unit: İşlemci içerisindeki işlemleri organize eder.

13


Mikro işlemler bir zaman aralığında aşağıdakilerden birisini yapar:

Bir register’dan diğerine veri aktarımı

Bir register’dan bir external arayüze veri aktarımı

Bir external arayüzden bir register’a veri aktarımı

Register’lar giriş ve çıkış olmak üzere aritmetik ve mantık işlemin gerçekleştirilmesi

Kontrol birimi temel olarak iki işlevi gerçekleştirir:

Sıralama (Sequencing): Çalıştırılan mikro işlemlerin doğru sırada çalıştırılmasını sağlar.

Çalıştırma (Execution): Kontrol birimi her mikro işlemin gerçekleştirilmesini sağlar.


Kontrol sinyalleri

Kontrol biriminin her mikro işlemi gerçekleştirebilmesi için gerekli girişleri alması gereklidir.

Kontrol birimi, aldığı girişlere göre gerekli işlemi gerçekleştirecek birimlerin aktif yapılması için kontrol sinyallerini üretilir.

Kontrol birimi, CPU içerisindeki birimlere iletilecek sinyalleri CPU internal bus’ı aracılığıyla iletir.

Yukarıdaki işlemlerin tümünün gerçekleştirilmesi için gererkli kod bilgisi instruction register ‘da bulunan opcode içerisinden alınır.

14

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle


Kontrol birimi


Kontrol birimi

Kontrol biriminin temel bileşenleri aşağıdadır.

15

Kontrol birimi

Kontrol birimine girişler

Clock: Kontrol birimi her clock cycle’da bir veya birkaç tane mikro işlemi yerine getirir.

Instruction register: Opcode ve adresleme modu ile hangi mikro işlemlerin execute aşamasında çalışacağını belirler.

Flags: ALU işlemlerinin sonucunda işlemcinin durumunu belirlemek için ihtiyaç duyulur.

Kontrol bus’tan alınan kontrol sinyalleri: Kontrol bus üzerinden kontrol birimine sinyaller alınır.

Kontrol bus’tan alınan kontrol sinyalleri: Kontrol bus üzerinden kontrol birimine sinyaller alınır.

Kontrol birimi

Kontrol biriminden çıkışlar

İşlemci içerisinde kontrol sinyalleri: Verilerin register’lar arasında veri aktarılır veya ALU işlemi gerçekleştirilir.

Kontrol bus’a kontrol sinyalleri: Hafızaya ve I/O modüllerine kontrol sinyalleri iletilir.

Fetch cycle için kontrol biriminin yapacağı işlemler:

MAR içeriğini adres bus’ aktaracak kapı devreleri açılır.

Kontrol bus’a hafıza okuma işareti yerleştirilir.

Kontrol sinyalleri data bus’taki verileri MBR’a aktarır.

Kontrol sinyalleri PC değerini 1 artırarak sonucu PC’a aktarır.

Ardından MBR içeriğini IR’a aktaracak kapı devresi açılır.

16

Kontrol birimi

Kontrol sinyalleri – örnek

Şekilde veri yolları ve kontrol sinyalleri görülmektedir. 572

Kontrol birimi


Mikroişlemcide 1 tane AC bulunmaktadır.

Ci’ler kontrol sinyalleri olup sinyal geçişlerini kontrol etmektedir.

Kontrol birimi giriş olarak, clock, instruction register ve flags’ları alır.

Her clock cycle’da kontrol birim tüm girişler iokur ve kontrol sinyallerini üretir.

Kontrol sinyalleri aşağıdaki 3 hedefe gönderilir:

Veri yolları: Kontrol birimi internal veri akışını kontrol eder.

ALU: Kontrol birimi ALU’nun yapacağı işlemleri farklı mantık devrelerini aktif yaparak denetler.

System bus: Kontrol birimi sistem bus üzerinde READ, WRITE gibi kontrol komutlarını gönderir.

17

Kontrol birimi


Kontrol birimi her clock pulse ile bir mikro işlemi yerine getirir.

Her mikro işlem için bir veya daha fazla kontrol sinyali oluşturur.

Kontrol birimi

Mikroişlemci iç organizasyonu

Mikroişlemcinin internal bus’ı ile bileşenlerin bağlantısı şekildeki gibidir.

Bir bus ile ALU ve tüm register’lar arasındaki bağlantı yapılır.

Şekildeki mikroişemciye Y ve Z olarak iki adet register eklenmiştir.

Bir ALU işlemi gerektiğinde girişlerden birisi internal bus ile Y üzerinden alınır diğer ise AC’den alınabilir.

ALU kombinatorial devredir ve hafızaya sahip değildir.

ALU çıkışı geçici olarak Z register’ında tutulur.

18

Kontrol birimi

Mikroişlemci iç organizasyonu

AC registerine hafızadaki bir adres içeriğinin eklenmesi aşağıdaki gibi gerçekleştirilebilir:

Konular

Giriş

Mikro işlemler

Fetch cycle

Indirect cycle

Interrupt cycle

Execute cycle

Instruction cycle


Kontrol birimi


19


Kontrol birimi girişleri

Kontrol birimi donanımsal (hardwired) veya mikroprogramlanmış (microprogrammed) şekilde oluşturulabilir.

Donanımsal kontrol birimi bir durum makinesi devresidir.

Kontrol biriminin temel girişleri, instruction register, clock, flags ve control bus sinyalleridir.

Instruction register’dan alınan opcode kontrol biriminin girişidir ve decoder tarafından kullanılır.

Decoder n bit giriş için 2n çıkış üretir.

Clock girişi kontrol biriminin sıralı pulse’lar üretmesini sağlar ve mikro işlemlerin süresine uygun olmalıdır.

Clock girişleri t1, t2, t3 ,... için yukarı sayıcı devresine giriş oluşturur ve her mikro işlemin sonunda sayıcı sıfırlanır.


4 giriş ve 16 çıkışa sahip decoder

20


Decode edilen girişlerle birlikte kontrol birimi


Kontrol birim mantık devresi

Kontrol birimi girişlerine göre çıkış sinyalleri oluşturur.

Herhangi bir kontrol sinyali için Boolean expression yazılabilir.

PQ instruction cycle’daki aşamaları göstermektedir.

C5 için Boolean expression aşağıdaki gibidir.

21


Kontrol birim mantık devresi

C5 execute aşamasında da kullanılmaktadır.

LDA, ADD ve AND işlemlerinde hafızadan okuma yapılıyor.

C5 için yeni Boolean expression aşağıdaki gibidir.

Ödev

Mikroprogramlanmış kontrol birimi konusunda detaylı bir ödev

hazırlayınız. Hardwired kontrol birimiyle karşılaştırmalarını

içeren araştırma makalesi inceleyip makalenin tam metni ile

birlikte inceleme sonuçlarınızı ödev raporuna ekleyiniz.

Documents

BM-311 Bilgisayar MimarisiMAR içeriğini adres bus’ aktaracak kapı devreleri açılır. Kontrol bus’a hafıza okuma iúareti yerleútirilir. Kontrol sinyalleri data bus’taki