Bài giảng Kiến trúc máy tính (ĐH Công nghệ thông tin) Tuần 11

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Tuần 11 BỘ XỬ LÝ PROCESSOR (Tiếp theo) 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved BỘ XỬ LÝ Mục đích:  Hiểu chế thực thi lệnh quy ước thiết kế logic  Thiết kế Datapath với lệnh cho xử lý cách thực thiết kế Slide tham khảo từ: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson, D A., and J L Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011 NUS, Singapore 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved BỘ XỬ LÝ Giới thiệu Nhắc lại quy ước thiết kế logic Xây dựng đường liệu (datapath) đơn giản Hiện thực datapath đơn chu kỳ 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved Hiện thực datapath Inputs khối “Registers”, “Control” “Sign-extend” 03/2017 Datapath với đầy đủ liệu input cho khối Hiện thực datapath Inputs khối “Registers”, “Control” “Sign-extend” MUX có thêm ngõ vào ??? ???? 03/2017 Datapath với đầy đủ liệu input cho khối Hiện thực datapath Trường op (hay opcode) chứa bits từ 31:26 Hai ghi dùng để đọc tất lệnh luôn rs rt, vị trí bits từ 25:21 20:26 Thanh ghi cho lệnh load store rs vị trí bits 25:21  16 bits offset cho beq, lw sw ln vị trí 15:0  Các ghi đích dùng để ghi kết vào hai vị trí: Với lw, ghi đích vị trí bits từ 20:16 (rt), với nhóm lệnh logic số học, ghi đích vị trí 15:11 (rd) Vì vậy, multiplexer cần sử dụng để lựa chọn ghi ghi Hiện thực datapath 03/2017 Datapath với đầy đủ liệu input cho khối Hiện thực datapath Khối “ALU Control” ???? 03/2017 Hiện thực datapath Bộ ALU MIPS gồm chức tính tốn dựa bits điều khiển đầu vào: Tùy thuộc vào nhóm lệnh mà ALU thực chức đầu (NOR dùng cho phần khác)  Với lệnh load word store word, ALU sử dụng chức ‘add’ để tính tốn địa nhớ  Với lệnh thuộc nhóm logic số học, ALU thực chức (AND, OR, subtract, add, set on less than), tùy thuộc vào giá trị trường funct (6 bits) mã máy lệnh  Với lệnh nhảy bằng, ALU thực chức ‘subtract’ để xem điều khiện có không 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved Hiện thực datapath Như vậy, để sinh bits điều khiển ALU, số cách thực sử dụng thêm khối điều khiển “ALU Control” “ALU Control” nhận input bits từ trường funct mã máy, đồng thời dựa vào bits “ALUOp” sinh từ khối “Control” để sinh output bits điều khiển ALU, theo quy tắc bảng sau: Một gợi ý để sinh bits điều khiển ALU dựa vào trường “opcode” trường “funct” mã máy 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 10 Hiện thực datapath Bảng thật: Từ quy tắc hoạt động, bảng thật gợi ý cho khối “ALU Control” sau 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 11 Hiện thực datapath Khối điều khiển “Control” ??? 03/2017 12 Hiện thực datapath Các tín hiệu điều khiển Tác động mức thấp Tác động mức cao RegDst Thanh ghi đích cho thao tác ghi từ ghi rt (bits từ 20:16) Thanh ghi đích cho thao tác ghi từ ghi rd (bits từ 15:11) RegWrite Khối “Registers” thực chức đọc ghi Ngoài chức đọc, khối “Register” thực thêm chức ghi Thanh ghi ghi ghi có số đưa vào từ ngõ “Write register” liệu dùng ghi vào ghi lấy từ ngõ “Write data” ALUSrc Input thứ hai cho ALU đến từ “Read data 2” khối “Registers” Input thứ hai cho ALU đến từ output khối “Sign-extend” Branch Cho biết lệnh nạp vào “beq” Thanh ghi PC nhận giá trị PC + Lệnh nạp vào lệnh “beq”, kết hợp với điều kiện thông qua cổng AND nhằm xác định xem lệnh có nhảy đến địa hay không Nếu điệu kiện đúng, PC nhận giá trị từ kết cộng “Add” MemRead (Không) Khối “Data register” thực chức đọc liệu Địa liệu cần đọc đưa vào từ ngõ “Address” nội dung đọc xuất ngõ “Read data” MemWrite (Không) Khối “Data register” thực chức ghi liệu Địa liệu cần ghi đưa vào từ ngõ “Address” nội dung ghi vào lấy từ ngõ “Write data” MemtoReg Giá trị đưa vào ngõ “Write data” đến từ ALU Giá trị đưa vào ngõ “Write data” đến từ khối “Data memory” 03/2017 Tác động tín hiệu điều khiển 13 Hiện thực datapath Giá trị tín hiệu điều khiển tương ứng với lệnh sau: Khối “Control” datapath nhận input bits từ trường “opcode” mã máy, dựa vào tín hiệu điều khiển sinh tương ứng bảng 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 14 Hiện thực datapath Bảng thật khối “Control”: Bảng thật khối “Control” 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 15 Hiện thực datapath Khối điều khiển “Control” ??? 03/2017 16 Hiện thực datapath Khối điều khiển “Control” 03/2017 17 Hiện thực datapath  Hiện thực xử lý đơn chu kỳ (Single-cycle implementation hay single clock cycle implementation): cách thực cho xử lý đáp ứng thực thi câu lệnh chu kỳ xung clock  đòi hỏi chu kỳ xung clock phải thời gian lệnh dài  Cách thực xử lý trình bày cách thực đơn chu kỳ: Lệnh dài lw, gồm truy xuất vào “Instruction memory”, “Registers”, “ALU”, “Data memory” quay trở lại “Registers”, lệnh khác khơng địi hỏi tất công đoạn  chu kỳ xung clock thiết kế phải thời gian thực thi lệnh lw  Mặc dù thực xử lý đơn chu kỳ có CPI = hiệu suất kém, chu kỳ xung clock dài, lệnh ngắn phải thực thi thời gian với lệnh dài Vì vậy, Hiện thực đơn chu kỳ khơng cịn sử dụng (hoặc chấp nhận cho tập lệnh nhỏ) 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 18 Xem lại Datapath với nhóm lệnh 03/2017 Các đường đỏ đường hoạt động lệnh thuộc nhóm logic số học thực thi 19 Xem lại Datapath với nhóm lệnh 03/2017 Các đường đỏ đường hoạt động lệnh lw thực thi 20 Xem lại Datapath với nhóm lệnh 03/2017 Các đường đậm nét (đỏ) đường hoạt động lệnh sw thực thi 21 Xem lại Datapath với nhóm lệnh 03/2017 Các đường đậm nét (đỏ) đường hoạt động lệnh beq thực thi 22 BỘ XỬ LÝ Tổng kết: Hoàn chỉnh datapath cho lệnh bản: • add, sub, and, or, slt • lw, sw • beq Hiểu cách thực khối chức datapath (khối Control, khối ALU Control) 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 23 BỘ XỬ LÝ  Lý thuyết: Đọc sách tham khảo • Mục: 4.4 • Sách: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson, D A., and J L Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011  Bài tập: file đính kèm 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 24 ... MIPS gồm chức tính tốn dựa bits điều khiển đầu vào: Tùy thuộc vào nhóm lệnh mà ALU thực chức đầu (NOR dùng cho phần khác)  Với lệnh load word store word, ALU sử dụng chức ‘add’ để tính tốn địa... Hardware/Software Interface, Patterson, D A., and J L Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2 011  Bài tập: file đính kèm 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 24 ... Hardware/Software Interface, Patterson, D A., and J L Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2 011 NUS, Singapore 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved BỘ XỬ LÝ Giới thiệu Nhắc lại