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progettare una CPU MIPS - le basi

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La CPU è una macchina sequenziale - è formata da:

  • uno stato (elementi che, se rimessi nella stessa condizione, fanno comportare la macchina allo stesso modo).
  • un circuito combinatorio.

CPU senza pipeline

per progettare una CPU senza pipeline, è necessario:

  1. definire come viene elaborata un’istruzione - fasi di esecuzione
  2. scegliere le istruzioni da realizzare
  3. scegliere le unità funzionali necessarie
  4. collegare le unità funzionali
  5. costruire la Control Unit (CU), che controlla il funzionamento della CPU
  6. calcolare il massimo tempo di esecuzione delle istruzioni - che ci fornisce il periodo di clock
fasi di esecuzione di un’istruzione
  1. fetch - caricamento di un’istruzione da memoria a Control Unit
  2. decodifica - decodifica dell’istruzione e lettura argomenti dai registri
  3. esecuzione - attivazione delle unità necessarie
  4. memoria - accesso alla memoria
  5. write back - scrittura dei risultati nei registri
  6. aggiornamento program counter - normale/salti condizionati/salti non condizionati

ci sono diversi tipi di istruzione da realizzare**

  • accesso alla memoria→ lw, sw (tipo I)
  • salti condizionati → beq (tipo I)
  • operazioni aritmetico-logiche → add, sun, sll, slt (tipo R)
  • salti non condizionati → j, jal (tipo J)
  • operandi non costanti → li, addi, subi (tipo I)**

formato delle istruzioni

unità funzionali necessarie

seguendo l’architettura di Von Neuman, le unità funzionali necessarie per la progettazione di una CPU sono:

unitàdescrizione
PC (Program Counter)registro che contiene
l’indirizzo dell’istruzione
memoria istruzionicontiene le istruzioni
adderper calcolare il PC (successivo o salto)
registricontengono gli argomenti delle istruzioni
ALUfa operazioni aritmetico-logiche, confronti
memoria datida cui leggere/scrivere i dati

Queste unità sono collegate da datapath - interconnessioni che definiscono il flusso delle informazioni nella CPU.

Se un’unità funzionale può ricevere dati da più sorgenti, è necessario inserire un MUX per selezionare la sorgente necessaria.

ingredienti

memoria istruzioni, PC, adder

  • come primo elemento, è necessaria un’unità di memoria in cui salvare le istruzioni del programma, che possa fornire in uscita l’istruzione associata ai dati in ingresso:
    • input: indirizzo a 32 bit
    • output: istruzione da 32 bit situata nell’indirizzo di input
  • abbiamo bisogno anche del Program Counter (PC), per salvare l’indirizzo dell’istruzione corrente:
    • il program counter è un registro a 32 bit e viene riscritto al termine di ogni ciclo di clock
  • e di una ALU sommatrice, per sommare l’indirizzo corrente a 4 e ottenere l’indirizzo successivo:
    • input: due valori a 32 bit
    • output: la loro somma

registri e ALU

  • il blocco dei registri (register file) contiene i 32 registri universali a 32 bit del processore

    • i registri sono indirizzabili con 5 bit (ciascun registro può essere letto o scritto specificando il numero ad esso associato)
    • 4 porte di input a 5 bit:
      • 2 registri di lettura, che non richiedono segnali di controllo
      • 1 registro di scrittura, che necessita del segnale di controllo RegWrite (1- scrivo, 0 - non scrivo)
      • 1 ingresso per il dato da scrivere

  • la ALU, che riceve due valori interi a 32 bit e svolge un’operazione indicata dai segnali Op. ALU

    • output: risultato a 32 bit e segnale “Zero”, che indica se il risultato è zero

memoria dati e unità di estensione del segno

  • l’unità di memoria dati scrive o legge dati in memoria

    • input:
      • segnali MemWrite e MemRead - indicano lettura o scrittura (sono due ma solo uno può essere attivo)
      • indirizzo dato da scrivere o leggere
      • dato da scrivere (se MemWrite)
    • output: dato letto (se MemRead)

  • l’unità di estensione del segno del campo offset (16 bit meno significativi dell’istruzione) estende 16 bit a 32 (copia il bit del segno nei 16 MSB)

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