Unidad Control

7/25/2019 Unidad Control

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Departamento de Informtica. Curso 2006-2007 1

LA UNIDAD DE CONTROL

LECCIN 1.

DISEO DE SISTEMAS DIGITALES DECONTROL


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FUNCIONES DE LA UNIDAD DE CONTROL

Interpretacin de las instrucciones :Lectura y decodificacin de la instruccin.

Secuenciamiento de las instrucciones :Temporizacin y secuenciamiento de todaslas operaciones necesarias para la correctaejecucin de la instruccin.


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SEALES DE CONTROL

Llamamosseales de control a un conjuntode variables binarias que gobiernan lasentradas y salidas de informacin de losregistros y el funcionamiento de las demsunidades funcionales.


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TIPOS DE CONTROL

Control cableado : En este caso la unidad de

control es un circuito secuencial que est diseadopara llevar a cabo estas funciones. Sus caractersticasfundamentales son: alta velocidad y dificultad deadaptacin a cambios.Control microprogramado : El secuenciamiento delas seales de control se consigue con la ejecucin deun programa especfico para cada instruccin que se

llama microprograma. Sus caractersticas son : unacierta lentitud y una gran adaptabilidad amodificaciones.


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NIVELES DE ESTUDIO DE UN SISTEMA DIGITAL

Nivel de puertas lgicas , la unidad de trabajo es

el bit y suele corresponder a sistemas digitalessencillos.

Nivel de registros , la unidad de transferencia es lapalabra y considera para su estudio los registros dela mquina y sus interconexiones.

Nivel de procesador , la unidad de trabajo es elbloque de palabras y considera las distintas unidadesfuncionales como elemento de partida.


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COMPONENTES BSICOS DE UN SISTEMA DIGITAL

Un conjunto de registros o posiciones de memoria

R[i] donde estn almacenados los datosUn conjunto de dispositivos lgicos que realizan lasoperaciones de transformacin de datos (p. ej. ALUentre otros)Una interfaz con el exterior que asegura el acceso adatos externosUn conjunto de buses que interconectan los distintoselementosUna unidad de control que permite ejecutar lasoperaciones en el orden establecido por el programa


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DIAGRAMA DE GLUSHKOV

Unidad de procesamiento que comprendelos registros, los recursos de clculo y loscaminos de datos (ruta de datos )

Unidad de control que recibe de la unidadde procesamiento seales sobre el estado delas operaciones y genera la secuencia deseales de control que gobiernan a la unidadde procesamiento.


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DIAGRAMA DE GLUSHKOV


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NIVEL DE TRANSFERENCIA DE REGISTROS

El comportamiento de un sistema digital a nivel de

transferencia de registros se puede definir medianteun conjunto de operaciones O1 ,O2 , O3 , Onrealizadas sobre diferentes datos externos o internos.

Cada una de estas operaciones elementales se lleva acabo mediante transferencias entre registros cuyaforma mas general puede ser:

R[m] f ( R[i], R[j], R[k], )


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LENGUAJE DE TRANSFERENCIA DE REGISTROS

Sean A y B dos registros, la operacin mas habitual es transferirel contenido de un registro a otro, se expresa as: B A

En caso de necesitar saber el nmero o posicin de los bitstransferidos se indica de la siguiente manera: B[7-0] A[15-8]

Normalmente la transferencia est controlada mediante unaseal de habilitacin E (enable), se suele expresar de lasiguiente forma: E : B A

La seal de habilitacin puede ser mas compleja, por ejemplo:Si x = 0 y t = 1 B AEn otro caso B C


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Los registros pueden ser objeto de las operacionesaritmticas y lgicas habituales, as tendremos:

D A BLSR (A)

ASR (A) A A + 1

Otro operador disponible es & (concatenacin) p.ejLSR (A&B)


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Las transferencias de datos entre registros y

memoria se pueden tratar como casosparticulares del caso anterior dondetendremos dos operaciones gobernadas porlas seales de control R (lectura) y W(escritura) y usando los registros MAR y MBRcon la notacin habitual tendremos:

R: MBR M((MAR))W: M((MAR)) MBR


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Por ltimo las transferencias entre buses yregistros se escriben de forma similar:

A Inbus [8]Outbus [8] A


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DIAGRAMAS ASM

Para describir el comportamiento de la unidadde control de forma grfica se utilizandiagramas ASM (Algorithmic State Machines)que describe la secuencia de sucesos, as

como la relacin temporal entre los estadosde la unidad de control y las acciones queocurren en los estados como respuesta a los

pulsos de reloj.


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COMPONENTES BASICOS DE UN DIAGRAMA ASM

Bloque de estado : rectngulo que contiene las operaciones detransferencia de registros y seales de salida que se activanmientras la unidad de control est en ese estado.Bloque de decisin: Describe la condicin bajo la que sellevarn a cabo distintas transformaciones en la ruta de datos yse seleccionar el prximo estado

Bloque de condicin: Describe las asignaciones de variables ysalidas que se llevarn a cabo

Bloque ASM : Es una estructura compuesta de un bloque deestado y un conjunto de bloques de decisin y de condicininterconectados en serie o en paralelo, tiene una sola entrada ypuede tener varias salidas.


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DIAGRAMAS ASM


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DIAGRAMAS ASM

Podemos definir un diagrama ASM como unconjunto de bloques ASM interconectados deforma que:Todo camino definido por el conjunto debloques de condicin debe llevarnecesariamente a otro estadoCada diagrama de estado y su conjunto decondiciones debe llevar a un nico estadosiguiente.


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IMPLEMENTACIN DE UN MULTIPLICADOR HARDWARE

La metodologa que se utiliza tiene una serie

de pasos comunes y un abanico de solucionesposibles para la implementacin de la unidadde control.

Definir la tarea a realizar mediante unalgoritmo en lenguaje de transferenciade registrosEn nuestro caso vamos a implementar unmultiplicador con el algoritmo demultiplicacin por suma y desplazamiento


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ALGORITMO DE MULTIPLICACION

1: B Entrada (multiplicando) ;

2: MQ Entrada (multiplicador) ;3: A 0 ;4: C 0 ;

5: P n-1 ;for P:= n-1 downto 0 do6: if MQ[0] = 1 then A A + B , C CF ;

7: LSR (C&A&MQ);8: P P 1 ;end for


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UNIDAD DE PROCESAMIENTO

Un registro B de n bits para almacenar el multiplicando, concapacidad de carga en paralelo.Un registro MQ de n bits para almacenar el multiplicador ydespus almacenar los n bits mas bajos del resultado. Necesitacapacidad de carga y desplazamiento a la derechaUn registro A de n bits, inicialmente a cero que despus

almacenar los n bits de mayor peso del resultado, precisacapacidad de carga (resultado de la suma) y desplazamiento enparaleloUn sumador paralelo de n bitsUn contador P con capacidad de carga en paralelo y dedecrementarse. El tamao debe ser log2 n bits. Y debe tener uncircuito de deteccin de cero.Un elemento de memoria C que pueda ponerse a cero ycargarse con el arrastre CF del sumador.


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DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA UNIDAD DE PROCESAMIENTO


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DIAGRAMA ASM DEL MULTIPLICADOR


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DIAGRAMA ASM

IDLE: Es un estado inicial de espera, del que sale cuando laseal G vale 1 y se inicia la operacin de multiplicacin. Se

supone que los operandos ya estn cargados en los registros. Alpasar al siguiente estado se asignan los valores que se indicanen el bloque de condicin.

MUL0: En este estado tenemos un bloque de decisin en el que

se consulta el bit de menor peso del registro MQ ( Q0 ) y segnel valor que toma se realizan ciertas operaciones y se pasa alsiguiente estado

MUL1: En este estado se realizan las operaciones dedesplazamiento de los registros C-A-MQ y se decrementa elcontador P. Tiene un bloque de decisin en el que secomprueba el valor de Z, si es cero pasa al estado MUL0 y si es1 pasa al estado IDLE.


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DISEO DE LA UNIDAD DE CONTROL

Generar las seales de control necesarias

Establecer el mecanismo de secuenciamiento

de estas seales


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SEALES DE CONTROL NECESARIAS


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SECUENCIAMIENTO DE LOS ESTADOS


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DISEO DE LA UNIDAD DE CONTROL USANDO UNDECODIFICADOR Y UN REGISTRO DE SECUENCIA

Un registro de secuencia est formado por nbiestables de tipo D y puede tener hasta 2**nestados, as mismo un decodificador de n entradastiene 2**n salidas, una para cada estado.

Como tenemos tres estados necesitamos doselementos de memoria (llamados M1 M0 ) ycodificamos cada estado con un nmero ( IDLE = 00; MUL0 = 01 ; MUL1 = 10 )

Por otra parte tenemos dos entradas de estadoprovenientes de la unidad de procesamiento, G y Z .


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TABLA DE ESTADOS


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ECUACIONES DE LAS ENTRADAS A LOS ELEMENTOS DEMEMORIA

D0 = IDLE. G + MUL1. Z

D1 = MUL0


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ESQUEMA DE LA UNIDAD DE CONTROL


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DISEO DE LA UNIDAD DE CONTROL USANDO UNCONTADOR Y UN DECODIFICADOR

El contador : Es un dispositivo sncrono que

proporciona una salida Q(t+1) en funcin de losvalores de las lneas de seleccin CL, H, L y de laentrada E(t)

Si CL = 1 Q(t + 1) = 0Si L = 1 Q(t + 1) = E (t)Si H = 1 y L = 0 Q(t + 1) = (Q(t) + 1) mod 2**nEn cualquier otro caso Q(t + 1) = Q (t)

La seal H es de habilitacin, la seal L es de carga yCL es de puesta a cero.


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ESQUEMA DEL CONTADOR


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DIAGRAMA DE ESTADOS DE MOORE


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TABLA DE ESTADOS


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ECUACIONES DE LAS ENTRADAS AL CONTADOR


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DISEO DE LA UNIDAD DE CONTROL USANDO UN REGISTRO


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DISEO DE LA UNIDAD DE CONTROL USANDO UN REGISTRODE ESTADO Y UNA MEMORIA ROM

Usando una memoria ROM podemos

almacenar una tabla en la que tengamos,para todas las combinaciones de los estadosy las seales de condicin, los valores del

siguiente estado y las seales de control.En nuestro caso como tenemos tres estados ytres seales de condicin, la ROM tendr 32

filas. Como generamos 4 seales de control,cada fila tendr 6 bits.


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CONTENIDO DE LA ROM


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LA UNIDAD DE CONTROL

LECCIN 2.DISEO DE PROCESADORES USANDOCONTROL CABLEADO

RUTAS DE DATOS BSICAS BUS UNICO


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RUTAS DE DATOS BSICAS: BUS UNICO

ORGANIZACIN EN DOBLE BUS


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ORGANIZACIN EN DOBLE BUS

ORGANIZACIN EN TRIPLE BUS


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ORGANIZACIN EN TRIPLE BUS

INFLUENCIA DE LA ARQUITECTURA EN LA EJECUCIN DE


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QLAS INSTRUCCIN

Sea la operacin R 0 R 1 + R 2En bus comn:

X R 1 Y X + R 2R 0 Y

Doble bus Y R 1 + R 2R 0 Y

Triple busR 0 R 1 + R 2

FASES EN EL DISEO DE UN PROCESADOR


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FASES EN EL DISEO DE UN PROCESADOR

Podemos distinguir las siguientes fases:

Diseo del repertorio de instruccionesDescripcin de la ruta de datosDiagrama de flujo del repertorio de

instruccionesObtencin del diagrama ASMDiseo de la unidad de control

Diseo de la ruta de datos Verificacin del prototipo

DISEO DEL CONJUNTO DE INSTRUCCIONES


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DISEO DEL CONJUNTO DE INSTRUCCIONES

DISEO DEL FORMATO DE LAS INSTRUCCIONES


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DISEO DEL FORMATO DE LAS INSTRUCCIONES


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ESQUEMA DE LA RUTA DE DATOS


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ESQUEMA DE LA RUTA DE DATOS

DIAGRAMA ASM


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DIAGRAMA ASM



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La unidad de control tiene 3 grupos deentradas:IR que contiene el cdigo de operacin y quenecesita de un decodificador para hacer llegarlas seales correspondientes a cadainstruccinReloj que precisa de un generador desubciclosSeales de condicin provenientes de la rutade datos



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Q

SEALES DE CONTROL


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GENERACION DE LAS SEALES DE CONTROL


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DISEO DE LA MATRIZ DE CONTROL


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ECUACIONES LGICAS DE LAS SEALES DE CONTROL


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IPC =3HPC =1CPC =4 BR + 4 BR.INHIR =4 LDA +4 STA +4 BR +4 BR.INCIR =3R = 2 + 5 LDAW =6 STA

CMAR =1 + 4 LDA +4 STAHMBR =3 + 6 LDACMBR =5 STAHA =4 MAB +5 STACA =6 LDA +4 ADD +4 SUB

CB =4 MABSUMA =4 ADDRESTA =4 SUBHALU =4 ADD +4 SUB

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