ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ - ΧΕΙΡΙΣΤΣΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

Παρουσίαση με θέμα: "ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ - ΧΕΙΡΙΣΤΣΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ - ΧΕΙΡΙΣΤΣΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ
Ένα ψηφιακό σύστημα αποτελείται από μονάδες που κάθε μια εκτελεί συγκεκριμένες λειτουργίες Οι μονάδες αυτές συνθέτονται ιεραρχικά από κυκλώματα που εκτελούν στοιχειώδεις λειτουργίες (καταχωρητές, μετρητές, πολυπλέκτες, αθροιστές κ.α) Συνήθως ένα ψηφιακό σύστημα αποτελείται από : 1. Το χειριστή δεδομένων (data path) που εκτελεί την επεξεργασία 2. Τη μονάδα ελέγχου (control unit)που κατευθύνει την επεξεργασία Sanity ρολόι Είσοδοι Δεδομένων Sanity Είσοδοι Control Unit Data Path Έξοδοι ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

2 ΧΕΙΡΙΣΤΣΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Καλύτερη περιγραφή των χειριστών δεδομένων γίνεται από τους καταχωρητές τους και τις λειτουργίες που πραγματοποιούνται στα περιεχόμενά τους Οι μετακινήσεις δεδομένων καταχωρητών και η επεξεργασία αυτών καλούνται λειτουργίες μεταφοράς καταχωρητή (Register Transfer Level operations, RTL) Οι λειτουργίες αυτές προσδιορίζονται από: 1. Τη θέση των καταχωρητών 2. Το είδος της επεξεργασίας των δεδομένων 3. Τον έλεγχο που επιβλέπει τη σειρά των λειτουργιών Εν γένει κάθε καταχωρητής μπορεί να πραγματοποιεί στοιχειώδεις λειτουργίες: φόρτωση, μέτρηση, ολίσθηση κ.α. - Οι στοιχειώδεις λειτουργίες καλούνται μικρολειτουργίες (microoperations). Συνήθως εκτελούνται παράλληλα. Η μονάδα ελέγχου παρέχει σήματα που καθορίζουν τη σειρά των μικρολειτουργιών Το αποτέλεσμα μιας μικρολειτουργίας μπορεί να καθορίζει και τη ροή των σημάτων ελέγχου αλλά και των επόμενων μικρολειτουργιών ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

3 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΗ
Αναπαράσταση καταχωρητών R 15 15 8 7 R PC(H) PC(L) - Συμβολισμός μεταφοράς δεδομένων από R1 σε R2 R2 ← R1 - Συμβολισμός μεταφοράς υπό συνθήκη (if … then …) Η μεταφορά γίνεται εδώ if (k1=1) then (R2 ← R1) ή k1: R2 ← R1 Load t t+1 k1 R1 R2 clock ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

4 ΣΥΜΒΟΛΑ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΣΕ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣ
Σύμβολο Περιγραφή Παράδειγμα Γράμματα καταχωρητής AR, R, DR, IR Παρενθέσεις τμήμα καταχωρητή R2(1), R2(7:0), AR(L) Βέλος μεταφορά R2 ← R1 Κόμμα χωρίζει ταυτόχρονες R2 ← R1, R1 ← R2 μεταφορές Square brackets διεύθυνση μνήμης DR ← M[AR] ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

5 ΜΙΚΡΟΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ Στοιχειώδεις λειτουργίες που επιδρούν στα περιεχόμενα των καταχωρητών και της μνήμης Υπάρχουν 4 βασικοί τύποι μικρολειτουργιών 1. Μεταφοράς 2. Αριθμητικές 3. Λογικές 4. Ολίσθησης - Μια μικρολειτουργία μπορεί να ανήκει σε περισσότερους από έναν τύπους Μικρολειτουργίες μεταφοράς - Μεταφορά δεδομένων από καταχωρητή σε καταχωρητή - Δεν υπάρχει αλλαγή στα δεδομένα κατά την μετακίνηση ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

6 ΜΙΚΡΟΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ (2) Αριθμητικές μικρολειτουργίες
- Υπάρχουν 5 βασικές αριθμητικές μικρολειτουργίες 1. Πρόσθεση : R0 ← R1 + R2 2. Αφαίρεση : R0 ← R1 + R2 + 1 3. Αύξηση : R1 ← R1 + 1 4. Μείωση : R1 ← R1 - 1 5. Συμπλήρωμα : R2 ← R2 Ο πολλαπλασιασμός και η διαίρεση μπορούν να πραγματοποιηθούν από μια ακολουθία βασικών μικρολειτουργιών ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

7 ΜΙΚΡΟΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ (3) R2 n n Cn-1 Cn XOR X Α/S k1 R1 V C
Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ μιας RTL πρότασης (λειτουργίας) και των καταχωρητών και των συναρτήσεων που απαιτούνται για την υλοποίησή της X k1 : R1 ← R1 + R2 X k2 : R1 ← R1 + R2 + 1 Υλοποίηση R2 n n Cn-1 Cn XOR X Α/S k1 R1 Load V C ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

8 ΜΙΚΡΟΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ (4) Λογικές μικρολειτουργίες - Αντιμετωπίζουν κάθε ψηφίο ενός καταχωρητή ξεχωριστά και το χειρίζονται ως δυαδική μεταβλητή - Υπάρχουν 4 βασικές λογικές μικρολειτουργίες 1. NOT : R1 ← R1 2. AND : R1  R2 3. OR : R1  R2 4. XOR : R1  R2 - Υλοποιούνται εύκολα με μια ομάδα από πύλες, μια για κάθε ψηφίο - Οι λογικές μικρολειτουργίες μπορούν να αλλάξουν τις τιμές των ψηφίων, να μηδενίσουν ομάδες ψηφίων ή να θέσουν νέες τιμές στα ψηφία ενός καταχωρητή - Η AND μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επιλεκτικό μηδενισμό ψηφίων καταχωρητή: R1 (δεδομένα) R2 (μάσκα) R1 ← R1  R2 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

9 ΧΡΗΣΗ ΜΑΣΚΑΣ - Η AND μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επιλεκτικό μηδενισμό ψηφίων καταχωρητή: R1 (δεδομένα) R2 (μάσκα) R1 ← R1  R2 - Η OR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να θέση ψηφία σε καταχωρητή: R1 (δεδομένα) R2 (μάσκα) R1 ← R1  R2 - Η ΧOR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επιλεκτικό συμπλήρωμα ψηφίων καταχωρητή: R1 (δεδομένα) R2 (μάσκα) R1 ← R1  R2 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

10 ΜΙΚΡΟΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ (5) Μικρολειτουργίες ολίσθησης
Χρησιμοποιούνται για ολίσθηση των περιεχομένων των καταχωρητών προς τα: 1. Δεξιά (προς το λιγότερο σημαντικό ψηφίο) 2. Αριστερά (προς το μεγαλύτερης σημαντικότητας ψηφίο) Χρησιμοποιούνται κατά τη σειριακή μεταφορά δεδομένων αλλά και σε αριθμητικές και λογικές λειτουργίες Συμβολισμός Τύπος Συμβολισμός πηγή R Προορισμός R1 Αριστερή ολίσθηση R1  slR Δεξιά ολίσθηση R1  srR outgoing bits incoming bits ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

11 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΕ ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ
Χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου καταχωρητές λαμβάνουν δεδομένα από δυο ή περισσότερες πηγές σε διαφορετικούς χρόνους if(k1=1) then (R0 ← R1) else if(k2=1) then (R0 ← R2) ή k1:R0 ← R1, k1k2 : R0 ← R2 k2 k1 R2 4 Load 4 MUX R0 4 R1 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

12 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΕ ΔΙΑΥΛΟ (BUS)
Ο δίαυλος αποτελεί ένα πολύ αποδοτικό μέσο μεταφοράς δεδομένων Ένας δίαυλος χαρακτηρίζεται από μια ομάδα κοινών γραμμών που οδηγούνται από σήματα ελέγχου που επιλέγουν την πηγή και τις κατευθύνσεις των δεδομένων Σύγκριση αρχιτεκτονικής βασισμένης σε δίαυλο και αφιερωμένους πολυπλέκτες n 2-to-1 MUX 3-to-1 R0 R1 R2 L0 L2 L1 s2 s1 s0 1 2 Μείωση ευελιξίας Κέρδος σε υλικό Register transfer s1 s0 L2 L1 L0 R0 ← R R0 ← R1, R2 ← R R0 ← R1, R1 ← R0 impossible ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

13 ΤΡΙΣΤΑΘΕΣ ΔΙΑΥΛΟΣ Οδηγεί σε ακόμα μεγαλύτερη μείωση του υλικού και αποτελεί τον πιο αποδοτικό τρόπο υλοποίησης γρήγορων διαύλων με πολλές πηγές Τα σήματα μεταφέρονται και προς τις δυο κατευθύνσεις R0 R1 R2 L0 L1 L2 n E0 E1 E2 n R Load Q D En - Έχει τις ίδιες λειτουργικές δυνατότητες με την περίπτωση του απλού διαύλου - Οδηγεί σε πιο ευέλικτη σχεδίαση ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

14 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΟΣ/ΑΠΌ ΤΗ ΜΝΗΜΗ
Read : DR ← M[AR] Write : M[AR] ← DR Μονάδα μνήμης συνδεδεμένη σε διαύλους διεύθυνσης και δεδομένων Timing and control 1 2 3 Data bus destination decoder load Address bus decoder 1 2 3 enable Data bus source decoder enable D2 D1 D0 A0 A1 A2 n k read write Memory 2 x n k ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

15 ΧΕΙΡΙΣΤΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (DATAPATHS)
Οι μικρολειτουργίες σε ένα υπολογιστικό σύστημα εκτελούνται από την Αριθμητική/Λογική μονάδα (ALU) σε ένα κύκλο ρολογιού Ο συνδυασμός της ALU με μια ομάδα καταχωρητών και τις κατάλληλες διασυνδέσεις αποτελούν μια ολοκληρωμένη μονάδα χειρισμού δεδομένων Ένας ή περισσότεροι δίαυλοι χρησιμοποιούνται για την διασύνδεση πολλών καταχωρητών σε ένα χειριστή δεδομένων Figure 7.9 Η δρομολόγηση των λειτουργιών σε ένα χειριστή δεδομένων καθορίζεται από τη μονάδα ελέγχου πχ. Εκτέλεση R1 ← R2+R3 Η μονάδα ελέγχου παρέχει τις παρακάτω εισόδους ελέγχου 1. A select: ο R2 στον δίαυλο Α 2. B select, MB select: o R3 στον δίαυλο Β 3. G select: άθροιση Α+Β 4. MF select, MD select: τοποθέτηση αθροίσματος στον δίαυλο D 5. Destination select, Load enable: φόρτωση αποτελέσματος στον R1 - Όλη η παραπάνω μικρολειτουργία διαρκεί ένα κύκλο ρολογιού ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

16 ΧΕΙΡΙΣΤΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (DATAPATHS)
ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

17 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ/ΛΟΓΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ (ALU)
Υπάρχει ένας αριθμός γραμμών επιλογής (k) που καθορίζουν την λειτουργία που θα εκτελεσθεί (2κ) N-bit ALU A0 A1 An B0 B1 Bn Cin s0 s1 s2 G0 G1 Gn Cout Data input A input B Carry input Operation select Mode select output G Carry output ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

18 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΤΗΣ ALU
s0 Cin G=x+y+Cin Cout Β Α B input logic s1 X Y n-bit parallel adder n Οι διάφορες αριθμητικές λειτουργίες καθορίζονται από τα s0, s1 select input G=A+Y+Cin s1 s Y Cin=0 Cin=1 all 0’s G=A (transfer) G=A+1 (increment) B G=A+B (add) G=A+B+1 B΄ G=A+B΄ G=A+B΄+1 (subtrack) all 1’s G=A-1 (decrement) G=A (transfer) ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

19 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΤΗΣ ALU (2)
Το B logic κύκλωμα μπορεί να υλοποιηθεί με n 4-σε-1 πολυπλέκτες που έχουν ως είσοδο 0, Bi, Bi΄ και 1. Ισχύει Yi=Bi·s0 + B΄·s1 και ο αθροιστής μπορεί να υλοποιηθεί με 2-σε-1 πολυπλέκτες X0 FA Y0 MUX 1 A0 B1 A2 B2 A3 B3 B0 A1 s1 s0 Cin G0 Cout G3 G2 C4 G1 C1 C2 C3 C0 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

20 ΛΟΓΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΤΗΣ ALU Οι λογικές μικρολειτουργίες χειρίζονται κάθε ψηφίο ενός καταχωρητή ως δυαδική μεταβλητή Συνήθως ορίζουμε τέσσερις λογικές μικρολειτουργίες AND, OR, XOR, NOT. Οι υπόλοιπες προκύπτουν από αυτές Διάγραμμα λογικού κυκλώματος ενός ψηφίου 4-to-1 MUX G Bi Ai s0 s1 1 2 3 s1 s output operation 0 0 0 1 1 0 1 1 G=A∩B G=AB G=AB G=A΄ AND OR XOR NOT ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

21 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ/ΛΟΓΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ
Λογικό διάγραμμα ενός ψηφίου της ALU Ci+1 Gi Ci Ai Bi s0 s1 s2 One stage of arithmetic unit of logic 2-to-1 MUX 1 S s2 s1 s0 Cin Operation Function X X X X G=A G=A+1 G=A+B G=A+B+1 G=A+B΄ G=A+B΄+1 G=A-1 G=AB G=AB G=AB G=A΄ Transfer A Increment A Addition Add with Cin Add plus 1’s complement of B Substraction Decrement A AND OR XOR NOT Πίνακας συναρτήσεων της ALU ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

22 ΟΛΙΣΘΗΤΗΣ Ο ολισθητής προκαλεί δεξιά ή αριστερή μετατόπιση μιας δυαδικής λέξης Ένας συνδυαστικός ολισθητής μπορεί να κατασκευαστεί με πολυπλέκτες MUX S A3 A2 A1 A0 H3 H1 H2 H0 IR IL Serial output L output R S=0 : Δεξιά ολίσθηση κατά ένα ψηφίο S=1 : Αριστερή ολίσθηση κατά ένα ψηφίο ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

23 ΟΛΙΣΘΗΤΗΣ ΒΑΡΕΛΙΟΥ (BARREL SHIFTER)
Είναι ένα συνδυαστικό κύκλωμα που ολισθαίνει μια δυαδική λέξη κατά τον αριθμό ψηφίων που καθορίζουν τα σήματα ελέγχου Τα ψηφία που εξέρχονται του πεδίου της λέξης επαναφέρονται D1 D2 D0 D3 Y3 Y0 Y1 Y2 s0 s1 s1 s0 MUX MUX MUX MUX Ένας barrel shifter με 2n εισόδους απαιτεί 2n πολυπλέκτες των 2n εισόδων και των n εισόδων επιλογής Σε έναν barrel shifter 2n ψηφίων, αριστερή ολίσθηση i ψηφίων ισοδυναμεί με δεξιά ολίσθηση 2n-i ψηφίων -Συνεπώς, με έναν ολισθητή αριστερής ολίσθησης μπορούμε να δημιουργήσουμε οποιαδήποτε δεξιά ολίσθηση ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

24 ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΧΕΙΡΙΣΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ
Χρησιμοποιούμε ιεραρχικές δομές στην περιγραφή κυκλωμάτων για μείωση της πολυπλοκότητας στο σχεδιασμό Δομή χειριστή δεδομένων write D data D address 2m x n REGISTER FILE A addr. B addr. A data B data MUX B FUNCTION UNIT MUX D n m constant in MB select 5 FS V C N Z MD select Data in Bus A Bus B Αρχείο καταχωρητών (register file) καλείται μια ομάδα καταχωρητών τα περιεχόμενα των οποίων υπόκεινται στις ίδιες μικρολειτουργίες - Αντιστοιχεί σε μικρή και πολύ γρήγορη μνήμη ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

25 Ο ΚΟΣΜΟΣ ΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Datapath με εισόδους ελέγχου ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

26 Ο ΚΟΣΜΟΣ ΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Κάθε λέξη ελέγχου αντιστοιχεί σε μια μικρολειτουργία DA, AA, BA MB FS MD RW Function Code Function Code Function Code Function Code Function Code R0 000 register F=A function no write 0 R1 001 constant F=A data in write R F=A+B R F=A+B R F=A+B΄ R F=A+B΄ R F=A R F=A F=AB F=AB F=AB F=A΄ F=srA F=slA ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

27 Ο ΚΟΣΜΟΣ ΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ (2) Πχ. Για τη μικρολειτουργία R1 ← R1+R3+1 προκύπτει η λέξη: πεδίο: DA AA BA MB FS MD RW Σύμβολο: R1 R2 R3 register F=A+B΄+1 function write Δυαδικός: Άλλα παραδείγματα μικρολειτουργιών Μικρολειτουργία DA AA BA MB FS MD RW R4 ← slR R4 R register F=slA function write R7 ← R R7 R register F=A function write R1 ← R R1 R constant F=A+B function write Data out ← R R register no write ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

28 Ο ΚΟΣΜΟΣ ΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ (3) Αποτελέσματα εξομοίωσης ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

29 ΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΔΙΟΧΕΤΕΥΣΗ
Με την τεχνική της διοχέτευσης μπορεί να επιτευχθεί αύξηση του ρυθμού επεξεργασίας (throughput) REGISTER FILE MUX B FUNCTION UNIT MUX D 3 WR OF EX WB 2 1 clock 1ns 4ns 3ns REGISTER FILE MUX B FUNCTION UNIT MUX D 1ns 4ns 3ns clock Ταχύτητα επεξεργασίας MHz 200 MHz - Απαιτείται η εισαγωγή καταχωρητών που χωρίζουν το κύκλωμα σε επίπεδα - κάθε επίπεδο λειτουργεί ανεξάρτητα και εκτελεί συγκεκριμένο τμήμα μιας μικρολειτουργίας ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

30 ΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΔΙΟΧΕΤΕΥΣΗ
ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

31 ΔΙΟΧΕΤΕΥΣΗ ΜΙΚΡΟΛΕΙΤΟΥΡΓΙΩΝ
Κάθε μικρολειτουργία χωρίζεται σε επίπεδα αντίστοιχα του χειριστή δεδομένων Διάγραμμα διοχέτευσης μικρολειτουργιών Clock cycle R1← R2 - R3 1 R4← slR R7←R R1←R Data out←R3 5 R4←Data in 6 R5← OF EX WB OF EX WB - Απαιτούνται : 9*5 = 45ns Για συμβατική υλοποίηση: 7*15=105ns Αύξηση ταχύτητας κατά 2.3 - Σε περίπτωση πλήρους αξιοποίησης της τεχνικής της διοχέτευσης Με διοχέτευση: (5*3)/3=5 μικρολειτουργίες σε 25ns Συμβατικός: (5*5=25)/15=1.67 μικρολειτουργίες Αύξηση ταχύτητας : 5/1.67 = 3 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ