BI-JPO. (Jednotky počítače) G. Řadiče

BI-JPO

(Jednotky počítače)

G. Řadiče

c doc. Ing. Alois Pluháček, CSc. 2010

Katedra číslicového návrhu Fakulta informačních technologií České vysoké učení technické v Praze

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

G. Řadiče úvod základní cyklus počítače (1) provádění některých operací přerušení základní cyklus počítače (2) demonstrační příklad řízení — „vlastní řadičÿ mikroprogramovaný řadič – horizontální – horizontální / vertikální • klasický (obvodový) řadič – s řídicími řetězci – na bázi čítače • mikroprogramovaný versus klasický řadič • • • • • • • •

BI-JPO

c A. Pluháček 2010

řadič

řadič počítače — část (jednotka) počítače/procesoru, která řídí činnost počítače

• řídicí část — „ jádro řadičeÿ . . . v podstatě „vlastní řadičÿ • datová část – registry PC — programový čítač adresa následující instrukce IR — registr instrukcí (instrukční registr) právě prováděná instrukce jiné, např: PSW - stavové slovo programu maska přerušení ∈ PSW (?) SP — ukazatel zásobníku bázové registry, indexregistry aj. – další potřebné obvody, např. ∗ dekodér operačního znaku ∗ čítače, sčítačka aj. BI-JPO

G–1


základní cyklus počítače

základní cyklus (instrukční cyklus) 1. počáteční nastavení zejm. PC a stav procesoru (např. maska přerušení) 2. čtení instrukce • PC → adresa HP • čtení (trvá: PC → adresa HP) • data → IR • PC+ l → PC, kde l je délka instrukce 3. dekódování operačního znaku (OZ) 4. provedení operace (včetně vyhodnocení efektivních adres, čtení operandů apod.) 5. ošetření příčiny přerušení 6. opakování od kroku 2

BI-JPO

G–2


operace • přesuny R1 → R2 – mezi registry 1 takt: otevřít cestu z výstupu R1 na vstup R2 zápis do R2

– z paměti do registru IR.adr → adresa HP IR.adr → adresa HP čtení z HP data HP → R – z registru do paměti IR.adr → adresa HP R → data HP IR.adr → adresa HP R → data HP zápis do HP BI-JPO

hIR.adri → R

předstih další takty konec

G–3

R → hIR.adri

předstih další takty


operace

ii

Časování (dělení do taktů) u dále uvedených operací je analogické jako v předchozích případech a nebude dále explicitně uváděno. • operace se zásobníkem „rostoucím nahoruÿ – zápis registru R (PUSH R) R → h++SPi: preinkrementace ++SP R → data HP SP → adresa HP zápis do HP

Æ

– čtení do registru R (POP R) SP → adresa HP čtení z HP data HP → R SP−− postdekrementace

hSP−−i → R:

Æ

• operace se zásobníkem „rostoucím dolůÿ místo preinkrementace se provádí predekrementace a místo postdekrementace se provádí postinkrementace BI-JPO

G–4


operace

iii

• aritmetické a logické operace operand(y) z paměti → registr(y), pokud je to třeba otevřít cesty z registrů na vstupy arit./log. jednotky zapsat výsledek • skoky IR.adr → PC • skoky do podprogramu (při použití zásobníku): – PC → zásobník (uložení návratové adresy) — (jako PUSH) – IR.adr → PC (skok) • návrat z podprogramu (při použití zásobníku): – zásobník → PC — (jako POP)

BI-JPO

G–5


přerušení

přerušení (výjimky): • synchronní — přerušení je důsledkem provádění nějaké instrukce • asynchronní — příčina přerušení s právě prováděnou instrukcí nesouvisí

• synchronní přerušení – vyvolané speciální instrukcí (INT, TRAP, SVC apod.) – vyvolané jinou instrukcí (v podstatě nežádoucí stav) ∗ dělení nulou ∗ přeplnění ∗ nedovolený operační znak (OZ) ∗ aj.

BI-JPO

G–6


přerušení

ii

• asynchronní – vnější ∗ způsobená periferními zařízeními ∗ požadavek operátora, jiného procesoru, od modemu apod. – vnitřní ∗ způsobená časovačem ∗ způsobená kontrolními obvody (tzv. „hlídačiÿ) ∗ výpadek napájení

BI-JPO

G–7


obsluha přerušení kontext = obsah PC + stav procesoru ∋ maska přerušení typ přerušení = jedna nebo více „příbuznýchÿ příčin

Obsluha přerušení

(na úrovni technického vybavení — HW) : 1. uložení dat přerušení • uložení „staréhoÿ kontextu — umožňuje pokračovat v přerušeném programu • uložení bližší specifikace příčiny přerušení 2. nastavení „novéhoÿ kontextu (podle typu přerušení) ad 1. uložení dat přerušení • na zásobník • na určené adresy — podle typu přerušení ad 2. nastavení „novéhoÿ kontextu • z tzv. vektorů přerušení — podle typu přerušení • jinak BI-JPO

G–8


obsluha přerušení

ii

uložení dat přerušení na zásobník a nastavení „novéhoÿ kontextu z vektorů přerušení

BI-JPO

G–9



ii

obsluha přerušení: asynchronní: na začátku (viz obr.) nebo na konci základního cyklu synchronní: v místě výskytu

BI-JPO

G – 10



iii

Poznámky k vývojovému diagramu: • Vývojový diagram je třeba modifikovat tak, aby vyhovoval požadovanému chování konkrétního procesoru a co nejvíce vyhovoval jeho realizaci. • V rámci realizace konkrétních operací se provádí také příp. čtení operandů a uložení výsledku; součástí těchto akcí může být i příp. vyhodnocení efektivních adres. •

Operační znak bývá dekódován postupně, např.:

– skupina aritmetických a logických operací se dekóduje společně; – přečtou se operandy; – dekóduje se a provede se konkrétní operace.

BI-JPO

G – 11


příklad — čtení instrukce předpokládané formáty instrukce:

sběrnice (podsběrnice): • adresová . . . SB.adr • datová . . . SB.dat — 8 bitů = 1B • řídicí řídicí signály: MR čtení z hlavní paměti MW zápis do hlavní paměti .. . stavové signály: WAIT operace s hlavní pamětí .. dosud neskončila . BI-JPO

G – 12


příklad — čtení instrukce

ii

předpokládaná struktura registru instrukcí:

registr instrukcí bude mít další potřebné výstupy WIR1, WIR2, WIR3 — řídicí signály (zápis do „podregistrůÿ IR1, IR2, IR3) BI-JPO

G – 13



BI-JPO

G – 14

iii



iv

řídicí signály:

MR MW WIR1 WIR2 WIR3 PCA PCINC .. .

stavové signály:

WAIT operace s hlavní pamětí dosud neskončila I1B 8bitová instrukce (1 B) OZ7 bit OZ v řádu 7 OZ6 bit OZ v řádu 6 .. .

BI-JPO

čtení z hlavní paměti zápis do hlavní paměti SB.dat → IR1 SB.dat → IR3 SB.dat → IR3 PC → SB.adr PC+1 → PC

G – 15



BI-JPO

G – 16

v


řízení — „vlastní řadičÿ

řadič — jednotka / sekvenční obvod výstupy: řídicí signály vstupy: stavové signály • řadič mikroprogramovaný (řízený mikroprogramem) – horizontální – vertikální – diagonální • řadič klasický, též obvodově realizovaný, popř. „obvodovýÿ – řadič s řídicími řetězci – řadič na bázi čítače – jinak navržený možná struktura mikroinstrukce: µOZ adr VP µOZ mikrooperační znak — hodnoty řídicích signálů adr adresa následující mikroinstrukce VP výběr podmínky BI-JPO

G – 17


mikroprogramovaný řadič — horizontální

BI-JPO

G – 18



příklad — část µprogramu

.. . M3 M2 M4 M20 M6 M5 M30 M7 M1 .. . BI-JPO

.. . 120 121 122 123 124 125 126 127 128 .. .

... 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1

? ? ? ? ? ? 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 0 0 0 0

...

1

adr .. . 1 . . . 122 0 . . . 120 0 . . . 125 ? . . . ??? 1 . . . 126 0 . . . 124 ? . . . ??? ? . . . ??? 0 . . . 121 .. .

G – 19

VP .. . 0A 09 00 ???

01 09

??? ???

00 .. .

VP podmínka 00 adr0 01 OZ 7 02 OZ 6 03 OZ 5 04 OZ 4 05 OZ 3 06 OZ 2 07 OZ 1 08 OZ 0 09 WAIT 0A I1B .. .. . .



ii

adresa následující µinstrukce ∈ prováděná µinstrukce • náhrada: 1 bit adresy násl. µinstr. ← podmínka (VP) =⇒ větvení až na 2 místa — sudá adresa a násl. lichá • náhrada: žádná (bit je „nahrazenÿ sebou samým) =⇒ žádné větvení (adresa následující µinstr. = adresa v prováděné µinstr.) • náhrada 2 bitů (viz násl. obr.) =⇒ větvení na 4 místa — adresa dělitelná 4 a tři adresy následující • náhrada 1 bitu =⇒ větvení na 2 místa (týž multiplexor) • náhrada žádného bit =⇒ bez větvení (týž multiplexor) • náhrada n bitů =⇒ větvení na 2 n míst • .. .

dekódování OZ: bity OZ ∈ stavové signály

n bitů OZ → větvení na 2 n míst POZOR: !!! instrukce 6= mikroinstrukce a OZ 6= µOZ !!! BI-JPO

G – 20



BI-JPO

G – 21

iii



iv

mikropodprogramy — návratová adresa: ⋄ Co je?

⋄ Kam s ní?

• SKOK do mikropodprogramu — jen ze sudé (příp. jen z liché) adresy α • NÁVRAT na adresu, která se od α liší posledním bitem • adresa α se ukládá do speciální tzv. zásobníkové paměti — LIFO (z té se čte vždy ta „nejmladšíÿ položka)

BI-JPO

G – 22

α


mikroprogramovaný řadič — horizontální / vertikální • horizontální – dlouhé mikroinstrukce (typicky ≥ 64b, např. 136b) – řídicí signály ∈ mikroinstrukce — µOZ – 1 mikroinstrukce . . . 1 takt – není třeba µprogr. čítač — adresa ∈ mikroinstr. • vertikální v podstatě velmi zjednodušený řadič počítače (jakoby malý počítač uvnitř daného počítače) – krátké mikroinstrukce (typicky 16b) – 1 mikroinstrukce . . . několik taktů: ∗ čtení µinstrukce −→ µprogramový čítač ∗ dekódování µOZ ∗ provedení µoperace • diagonální — kompromis – řídicí signály ∈ mikroinstrukce — µOZ – 1 mikroinstrukce . . . 1 takt – µprogramový čítač BI-JPO

G – 23


klasický řadič vývojový diagram ∼ graf přechodů ⇒ sekvenční obvod Příklad:

BI-JPO

G – 24


klasický řadič — řadič s řídicími řetězci sekvenční obvod — ? kódování vnitřních stavů kód 1 z n −→ řadič s řídicími řetězci

BI-JPO

G – 25

?


klasický řadič — řadič s řídicími řetězci

ii

použití grafu přechodu jako „mezistupněÿ není nutné:

BI-JPO

G – 26


klasický řadič — řadič na bázi čítače • čítač umožňující přednastavování • kombinační část: – dekodér − řídicí signály – ovládání čítače (přednastavit, nečítat apod.) Příklad — čtení instrukce ovládání (výstupy): STOP . . . nečítat N20 . . . nastavit na 20 apod. jinak . . . čítat

BI-JPO

G – 27



BI-JPO

G – 28

v


klasický řadič — řadič na bázi čítače

1, 2, 3, . . .

∼

M1, M2, M3, . . . (po řadě)

dekodér (pravdivostní tabulka):

M1 M2 M3 M4 M5 M6 ovládání:

BI-JPO

M2 M3 M5 M6 .. .

& & & &

stav 0. . . 0001 0. . . 0010 0. . . 0011 0. . . 0100 0. . . 0101 0. . . 0110

WAIT I1B WAIT OZ7

G – 29


stavy čítače:

ii

0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0

... ... ... ... ... 0 0 0 0 0 0 1 ...

STOP N20 STOP N30 .. . c A. Pluháček 2010

mikroprogramovaný versus klasický řadič rychlost — rychlejší: klasický řadič cena levnější: • velmi jednoduché řízení — klasický řadič • jinak — mikroprogramovaný řadič flexibilita flexibilnější: mikroprogramovaný řadič změna mikroprogramu ⇒ změna chování procesoru řídicí paměť • ROM • RWM (alias RAM) — snadná emulace

emulace: simulace procesoru na jiném procesoru

mikroprogramovými prostředky firmware = mikroprogramové vybavení software = programové vybavení hardware = technické vybavení BI-JPO

G – 30


BI-JPO. (Jednotky počítače) G. Řadiče

Recommend Documents