Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η μονάδα ελέγχου παρέχει τα σήματα ελέγχου που καθορίζουν τη μικρολειτουργία που εκτελεί ο χειριστής δεδομένων Η μονάδα.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η μονάδα ελέγχου παρέχει τα σήματα ελέγχου που καθορίζουν τη μικρολειτουργία που εκτελεί ο χειριστής δεδομένων Η μονάδα."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η μονάδα ελέγχου παρέχει τα σήματα ελέγχου που καθορίζουν τη μικρολειτουργία που εκτελεί ο χειριστής δεδομένων Η μονάδα ελέγχου καθορίζει επίσης τη σειρά των μικρολειτουργιών που θα εκτελεσθούν Σε ένα σύγχρονο σύστημα όλες οι λειτουργίες συγχρονίζονται με ένα κεντρικό ρολόι. Εγγραφή ή μη σε καταχωρητές καθορίζεται από την είσοδο επίτρεψης φόρτωσης Η μονάδα ελέγχου είναι ένα ακολουθιακό κύκλωμα Γενικά υπάρχουν δυο τύποι μονάδας ελέγχου: α) για προγραμματιζόμενο σύστημα β) για μη προγραμματιζόμενο σύστημα ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

2 ΑΛΓΟΡΙΘΜΗΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Η επεξεργασία δεδομένων από ένα χειριστή δεδομένων μπορεί να θεωρηθεί ως ένας κυκλωματικός αλγόριθμος Για την περιγραφή ενός κυκλωματικού αλγόριθμου χρησιμοποιείται το διάγραμμα αλγοριθμικής μηχανής καταστάσεων (ASM) Το διάγραμμα ASM μοιάζει με ένα απλό διάγραμμα ροής μόνο που περιλαμβάνει και τη χρονική σχέση μεταξύ των καταστάσεών του. Διαγράμματα ASM Χρησιμοποιεί τρία βασικά στοιχεία: 1. Το κουτί κατάστασης (state box) 2. Το κουτί απόφασης (decision box) 3. Το κουτί υπό συνθήκη (conditional box) ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

3 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ASM Name Binary code Register operation or output State boxDecision box Condition 01 From decision box Register operation or output Conditional output box R  0 RUN IDLE PC  0 R  0 IDLE START Παράδειγμα χρήσης Παράδειγμα: ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

4 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ASM Ένα ASM μπλοκ αποτελείται από ένα κουτί κατάστασης και όλα τα κουτιά απόφασης και υπό-συνθήκη που συνδέονται στην έξοδό του AVAIL IDLE 01 A  0 Exit Q0 01 START Exit Entry MUL0MUL1 ASM block Όλες οι λειτουργίες που περιγράφονται σε ένα ASM μπλοκ εκτελούνται στην ίδια παρυφή του ρολογιού. Την ίδια παρυφή έχουμε επίσης μετακίνηση στη νέα κατάσταση Ένα ASM αντιστοιχεί σε ένα διάγραμμα κατάστασης

5 ΘΕΜΑΤΑ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ clock START Q0 state AVAIL A0034 IDLEMUL Clock cycle 2Clock cycle 3 Clock cycle 1 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

6 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: ΔΥΑΔΙΚΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗΣ Αλγόριθμος πολλαπλασιασμού Τρόπος υλοποίησης Multiplicant Multiplier Initial partial product Add multiplicant Partial product after add Partial product after shift Add multiplicant Partial product after add Partial product after shift Partial product after shift Partial product after shift Add multiplicant Partial product after add Product after final shift ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

7 ΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

8 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ASM ΓΙΑ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

9 ΚΑΛΩΔΙΩΜΕΝΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Η μονάδα ελέγχου εκτελεί δυο λειτουργίες: α) ελέγχει την εκτέλεση των μικρολειτουργιών β) καθορίζει τη δρομολόγηση της διαδικασίας (καθορισμός επόμενης κατάστασης) Σήματα ελέγχου μικρολειτουργιών εξαγόμενα από ASM Block diagram module Register A Register B Flip-Flop C Register Q Counter P Microoperation A  0 A  A + B C||A||Q  srC||A||Q B  IN C  0 C  Cout Q  IN C||A||Q  srC||A||Q P  n-1 P  P-1 Control signal name Initialize Load Shift_dec Load_B Clear_C Load Load_Q Shift_dec Initialize Shift_dec Control expression IDLE G MUL0 Q0 MUL1 LOADB IDLE G + MUL1 LOADQ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

10 ASM ΓΙΑ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟ ΔΡΟΜΟΛΟΓΙΣΗΣ - Αντιστοιχεί σε διάγραμμα καταστάσεων και μπορεί να σχεδιαστεί ακολουθώντας τη σχετική μεθοδολογία ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

11 ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΜΟΝΑΔΑΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Μέθοδος καταχωρητή ακολουθίας και αποκωδικοποιητή - χρησιμοποιεί ένα καταχωρητή καταστάσεων και ένα αποκωδικοποιητή των καταστάσεων αυτών Πίνακας καταστάσεων για το ακολουθιακό μέρος της μονάδας ελέγχου ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

12 ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΗ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ Εκμεταλλευόμενοι τον αποκωδικοποιητή οι συναρτήσεις εισόδου των flip/flops εξάγονται άμεσα από τον πίνακα καταστάσεων D M0 = IDLEG + MUL1 Z’ D M1 = MUL0 Λογικό διάγραμμα μονάδας ελέγχου ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

13 ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕ ΈΝΑ F/F ΑΝΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Χρησιμοποιούνται τόσα flip/flops όσες είναι και οι καταστάσεις. Κάθε φορά μόνο ένα f/f είναι σε «1». Το «1» μεταφέρεται από το ένα f/f στο άλλο σύμφωνα με τη λογική απόφασης του ASM Απαιτείται περισσότερο υλικό (f/fs) αλλά είναι απλούστερη η διαδικασία σχεδιασμού Το λογικό διάγραμμα της μονάδας ελέγχου προκύπτει από το ASM με κατάλληλη αντικατάσταση των συμβόλων - βολεύει η χρησιμοποίηση του ASM που αντιστοιχεί στη δρομολόγηση - κατόπιν προσθέτουμε την επιπλέον λογική - η αρχικοποίηση των f/fs γίνεται με ασύγχρονα σήματα preset και reset ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

14 ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕ ΈΝΑ F/F ΑΝΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

15 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕ ΈΝΑ F/F ΑΝΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

16 ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Μια μονάδα ελέγχου με τις δυαδικές τιμές των σημάτων ελέγχου αποθηκευμένες σε μνήμη καλείται μικροπρογραμματιζόμενη μονάδα ελέγχου Κάθε λέξη μνήμης ελέγχου περιέχει μια μικροεντολή η οποία καθορίζει μια ή περισσότερες μικρολειτουργίες Μια ακολουθία μικροεντολών συνθέτει ένα μικροπρόγραμμα ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

17 ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Μια μικροεντολή περιέχει ψηφία για την ενεργοποίηση των μικρολειτουργιών και ψηφία για τον καθορισμό της ακολουθίας εκτέλεσης τους Τα ψηφία κατάστασης (status bits) συμμετέχουν στον καθορισμό της διεύθυνσης της επόμενης μικροεντολής - Συνεπώς τα ακολουθιακά κυκλώματα είναι τύπου Moore. Τα αντίστοιχα ASM δεν περιέχουν κουτιά υπό συνθήκη Απαιτούνται περισσότερες καταστάσεις ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

18 ASM ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ ΜΕ ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

19 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΔΥΑΔΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Για το σχεδιασμό της μονάδας ελέγχου πρέπει να βρεθούν: 1. Ο αριθμός των ψηφίων της λέξης ελέγχου 2. Το μέγεθος της ROM και του CAR 3. Η δομή της γεννήτριας επόμενης διεύθυνσης Σήματα ελέγχου πολλαπλασιαστή - Τα απαιτούμενα σήματα ελέγχου μπορούν να κωδικοποιηθούν ώστε να μειωθεί το μέγεθος της ROM

20 ΜΟΡΦΗ ΛΕΞΗΣ ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Απομένει ο καθορισμός των πεδίων δρομολόγησης (ακολουθία διευθύνσεων στη μνήμη) Υπάρχουν δυο κύριες μέθοδοι για τον προσδιορισμό των διευθύνσεων 1. Οι πιθανές δυο διευθύνσεις περιέχονται στη μικροεντολή 2. Η μια διεύθυνση περιέχεται στην μικροεντολή ενώ στον CAR δίνεται η δυνατότητα παράλληλης φόρτωσης και αύξησης - στο παράδειγμα ακολουθείται η πρώτη Υπάρχει επίσης ένα πεδίο για τον προσδιορισμό της απαίτησης για αλλαγή διεύθυνσης και τον καθορισμό της εισόδου που την επέβαλλε NXTADD0NXTADD1SELDATAPATH

21 ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΕΔΙΟΥ SEL ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

22 ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗ (ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΗ) ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

23 ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΓΙΑ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟ ΣΕ RTL ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Συμβολικό μικροπρόγραμμα Κάθε μικροεντολή αντιστοιχεί σε μια κατάσταση του ASM

24 ΑΠΛΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Εντολές Οι λειτουργίες ενός υπολογιστή καθορίζονται από το πρόγραμμα, μια με σαφώς καθορισμένη σειρά, ομάδα εντολών και δεδομένων Η μονάδα ελέγχου διαβάζει μια εντολή από τη μνήμη, την αποκωδικοποιεί και την εκτελεί ενεργοποιώντας μια σειρά από μικρολειτουργίες Η εντολή είναι μια συλλογή ψηφίων που κατευθύνει τον υπολογιστή στην εκτέλεση μιας λειτουργίας Ο λειτουργικός κώδικας (opcode) είναι μια ομάδα ψηφίων της εντολής που προσδιορίζει την λειτουργία αυτή Σε μια εντολή πρέπει να καθορίζεται η λειτουργία της αλλά και οι διευθύνσεις των δεδομένων της - Τα δεδομένα ορίζονται με δυο τρόπους 1. Explicitly 2. Implicitly

25 ΑΠΛΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Μορφή Εντολών

26 ΑΠΛΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Αναπαράσταση εντολών και δεδομένων στη μνήμη

27 ΑΠΛΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διάγραμμα πόρων αποθήκευσης

28 ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΛΩΔΙΟΜΕΝΗΣ ΛΟΓΙΚΗΣ ΑΠΛΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

29 ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ΕΝΤΟΛΩΝ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

30 ΕΝΤΟΛΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

31 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Υλοποίηση της: 83 - (2+3) Αρχική κατάσταση: [R3]=248, M[148]=2, M[249]=83 LD R1, R3Load R1 with M[R3] (R1=2) ADI R1, R1, 3Add 3 to R1 (R1=5) NOT R1, R1Complement R1 INC R1, R1Increment R1 (R1=-5) INC R3, R3Increment R3 (R3=249) LD R2, R3Load R2 with M[R3] (R2=83) ADD R2, R2, R1Add contents of R1 and R2 (R2=78) INC R3, R3Increment the contents of R3 (R3=250) ST R3, R2Store R2 in M[250] (M[250]=78)

32 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΛΩΔΙΟΜΕΝΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Μη αποδοτικός στην εκτέλεση πολύπλοκων λειτουργιών. Αναγκαστικά μια εντολή αντιστοιχεί σε μια μικρολειτουργία Σε περίπτωση χρήσης μιας μνήμης (εντολής, δεδομένα) απαιτούνται τουλάχιστον δυο κύκλοι ρολογιού για την εκτέλεση μιας εντολής χαμηλή συχνότητα ρολογιού Maximum clock 58.8MHz

33 ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΗ ΛΟΓΙΚΗ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΚΥΚΛΩΝ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

34 Μορφή μικροεντολών ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΗ ΛΟΓΙΚΗ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΚΥΚΛΩΝ Σήματα ελέγχου για το χειριστή δεδομένων

35 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σήματα ελέγχου για τη δρομολόγηση ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΗ ΛΟΓΙΚΗ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΚΥΚΛΩΝ

36 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ASM διάγραμμα για μια ομάδα εντολών Κάθε εντολή εκτελείται σε δυο βήματα 1. Κλήση εντολής 2. Εκτέλεση εντολής Για την εκτέλεση μιας εντολής απαιτούνται τρεις κύκλοι ρολογιού

37 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

38 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Βελτιστοποίηση χρήσης της αρχιτεκτονικής Eντολή: LRI => R[DR]  M[M[R[SA]]] Αντίστοιχο ASM διάγραμμα Απαιτούνται 4 κύκλοι ρολογιού έναντι 6 στην περίπτωση χρήσης δυο LD εντολών

39 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Βελτιστοποίηση χρήσης της αρχιτεκτονικής Eντολή: SRM => “shift right multiple” Απαιτούνται 2s+3 κύκλοι ρολογιού έναντι 3s

40 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΛΥΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Πολλαπλών κύκλων έλεγχος μπορεί επίσης να υλοποιηθεί με hardwired λογική ASM διάγραμμα

41 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΛΥΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Λογικό διάγραμμα μονάδας ελέγχου Ο μικροπρογραμματιζόμενος έλεγχος είναι ευκόλως επεκτάσιμος. Οποιαδήποτε αλλαγή στον τύπο ή τη σειρά εκτέλεσης των εντολών επιδρά μόνο στο περιεχόμενο της ROM Για πολύπλοκα προγράμματα συμφέρει η χρήση μικροπρογραμματισμού, για απλά όχι

42 ΑΛΥΣΙΔΩΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Λογικό διάγραμμα μονάδας αλυσιδωτής (pipelined) αρχιτεκτονικής

43 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΑΛΥΣΙΔΩΤΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ - ΑΠΟΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1. LDI R1,1 2. LDI R2,2 3. LDI R3,3 4. LDI R4,4 5. LDI R5,5 6. LDI R6,6 7. LDI R7,7 2.4 φορές γρηγορότερο του απλού κύκλου υπολογιστή. Ιδανικά 3.3 φορές γρηγορότερο

44 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΑΛΥΣΙΔΩΤΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ - ΑΠΟΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1. ADD R1,R0,R1 2. ADD R3,R2,R3 3. ADD R5,R4,R5 4. ADD R7,R6,R7 5. ADD R3,R1,R3 6. NOP 7. ADD R7,R5,R7 8. NOP 9. NOP 10. ADD R7,R3,R7 Αύξηση ρυθμού μόνο κατά 1.8 φορές Στην καλύτερη περίπτωση 2.3 φορές Η απόδοση μειώνεται και από την ανάγκη αποφυγής πιθανόν hazards. Εισάγονται NOP εντολές Clock cycle IF DOF EX WB R3,R7 R5,R7 R1,R3 R1 R3 R5 R7 R3 R7


Κατέβασμα ppt "ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η μονάδα ελέγχου παρέχει τα σήματα ελέγχου που καθορίζουν τη μικρολειτουργία που εκτελεί ο χειριστής δεδομένων Η μονάδα."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google