Einführung in die Rechnerarchitektur (ERA) Zentralübung 6 am 2. Dezember 2016

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1 Einführung in die Rechnerarchitektur (ERA) Zentralübung 6 am 2. Dezember 26 Mikroprogrammierung (): Leitwerk und Maschinenbefehls-Interpretationsschleife Ausblick auf Speicher/Rechenwerk Josef Weidendorfer weidendo@in.tum.de Büro:.4.35 c Josef Weidendorfer (und Max Walter/Roland Wismüller), TU München

2 Bisher: Assemblerprogrammierung Ziel: Wie wird ein Rechner auf Assemblerebene programmiert? Warum nicht höhere Programmiersprachen? fördert Verständnis dient z.b. dazu, effizient C, C++ und Java zu programmieren Wer entwickelt höhere Programmiersprachen? Informatiker!

3 Jetzt: Mikroprogrammierung Ziel: Was passiert im Prozessor, was macht Rechenwerk Speicher Leitwerk bei der Ausführung eines Maschinenbefehls? Warum? fördert Verständnis dient z.b. dazu, Mikroprozessoren effizient zu benutzen Wer entwickelt Mikroprozessoren? Informatiker!

4 Begriffe Maschinenprogramm besteht aus Maschinenbefehlen von Assembler erzeugt steht im Hauptspeicher Mikroprogramm befindet sich im Leitwerk des Rechners ist entweder fest (bei Fertigung des Leitwerks) oder programmierbar (wie in unserem Beispiel) ist eine Möglichkeit, Maschinenbefehle zu implementieren

5 Warum nicht reale Maschinen? Auch moderne Prozessoren oft mikroprogrammiert Mikroprogramm oft fest (nicht mikroprogrammierbar) teilweise programmierbar, aber nicht dokumentiert in jedem Fall sehr kompliziert Nur Mittel zum Zweck: die ERA MI-Maschine an TU-München entworfen (basierend auf AMD-ICs von 98) keine praktische Relevanz Aber: Prinzipien mit realen Maschinen vergleichbar Simulator: JMic (auf Webseite)

6 Thema heute: Das Leitwerk

7 Von-Neumann s Konzept. Struktur: Leitwerk, Speicher, Rechenwerk, E/A-Werk 2. Struktur problemunabhängig 3. Programm und Daten im selben Speicher 4. Speicher besteht aus Zellen fester Größe, fortlaufend nummeriert (Adressen) 5. Programm = Folge von Befehlen, i.a. nacheinander ausgeführt 6. Sprungbefehle: Fortsetzung an anderer Stelle 7. Binäre Codes, Dualsystem

8 Leitwerk Speicher Rechenwerk E/A Werk

9 Adressen Daten Leitwerk Speicher Rechenwerk E/A Werk

10 Adressen Daten Leitwerk Speicher Rechenwerk E/A Werk

11 Adressen Speicher Daten Status Leitwerk Rechenwerk Status E/A Werk Status

13 Adressen Speicher Daten Status Leitwerk IR OpCode A B BZ Rechenwerk Status BZ: Befehlszähler IR: Instruktionsregister E/A Werk Status

14 Was tut das Leitwerk?. Nächsten Befehl aus Speicher holen Speicherzelle mit Adresse BZ nach IR laden BZ erhöhen 2. Befehl dekodieren einfach, falls festes Format bei uns: OpCode, RA-Adresse, RB-Adresse 3. Befehl ausführen auf Operanden anwenden (evtl. Modif. des BZ) Steuersignale für andere Werke erzeugen abhängig von OpCode und evtl. anderen Bedingungen

15 Realisierung des Leitwerks Benötigt: Apparat, der abhängig von einer Eingabe eine Folge von Ausgaben produziert. Formal: endlicher Automat (hier: Moore) endliche Zustandsmenge Z Ausgabefunktion λ(z) Zustandsübergangsfunktion δ(z, e) Ein Automat ist immer in einem bestimmten Zustand z. In diesem Zustand gibt er λ(z) aus und geht in den Nachfolgezustand z = δ(z, e) über. Dabei ist e die externe Eingabe.

16 Steuerung einer Druckampel Beispiel eines Automaten Knopf nicht gedrückt Eingabe leere Eingabe Zustandsübergang Knopf gedrückt 2 3 Zustand Ausgabe Autofahrerampel Fußgängerampel Dieser Automat arbeitet getaktet!

17 Die Ampel als mikroprogrammierbare Maschine

18 Die Ampel als mikroprogrammierbare Maschine Mikroinstruktions register

19 Die Ampel als mikroprogrammierbare Maschine Mikroprogrammspeicher Autos gelb grün Fußweg grün : : 2: 3: Mikroinstruktions register

20 Die Ampel als mikroprogrammierbare Maschine Zähler : Mikroprogrammspeicher Autos gelb grün Fußweg grün : 2: 3: Takt Mikroinstruktions register

21 Die Ampel als mikroprogrammierbare Maschine Zähler : Mikroprogrammspeicher Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar : X 2: X 3: Takt Mikroinstruktions register

22 Die Ampel als mikroprogrammierbare Maschine Zähler load : : Mikroprogrammspeicher Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar X 2: X 3: Takt Mikroinstruktions register

23 Die Ampel als mikroprogrammierbare Maschine Zähler load Bed. logik : : 2: Mikroprogrammspeicher Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar X X Knopf 3: Takt Mikroinstruktions register

24 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion Mikroprogrammspeicher Zähler load : Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt load Mikroinstruktions register

25 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion Mikroprogrammspeicher Zähler load : Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt Mikroinstruktions register

27 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion + Zähler load : Mikroprogrammspeicher Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt Mikroinstruktions register

28 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion Mikroprogrammspeicher Zähler load : Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt load Mikroinstruktions register X

29 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion + Zähler load 2 : Mikroprogrammspeicher Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt Mikroinstruktions register X

30 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion Mikroprogrammspeicher Zähler load 2 : Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt load Mikroinstruktions register X

31 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion + Zähler load 3 : Mikroprogrammspeicher Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt Mikroinstruktions register X

32 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion Mikroprogrammspeicher Zähler load 3 : Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt load Mikroinstruktions register

33 Die mikroprogrammierte Ampel in Aktion Mikroprogrammspeicher Zähler load : Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar Bed. logik : 2: X X Knopf 3: Takt Mikroinstruktions register

36 Adressen Speicher Daten Status Leitwerk Rechenwerk Status MUX µbz INC Mikroprogrammspeicher Status E/A Werk Mikroinstruktionsregister Takt

37 Adressen Speicher Daten Status Leitwerk IR OpCode A B BZ Rechenwerk Status MUX µbz INC Mikroprogrammspeicher Status E/A Werk Mikroinstruktionsregister Takt

40 Adressen Speicher Daten Status Leitwerk IR OpCode A B BZ Map.PROM Rechenwerk Status MUX µbz INC Mikroprogrammspeicher Status E/A Werk Mikroinstruktionsregister Takt

41 Mikroprogrammierung: Begriffe Mikroinstruktion: in einer Zelle des Mikroprogrammspeichers enthaltene Steuerbits Zerfällt in: Steuerteil: Ausgabe an andere Werke (λ(z)) Adreßteil: bestimmt Nachfolgeinstruktion (δ(z, e)) Einzelne Steuersignale logisch zu Mikrooperation zusammengefaßt. Alle Mikrooperationen einer Mikroinstruktion werden gleichzeitig in einem Takt ausgeführt. Mikroprogramm: Folge von Mikroinstruktionen

42 Mikroprogrammierung: Begriffe... Mikro operation (Ansichtssache!) Autos gelb grün Fußweg grün ccen jump bar : Mikro instruktion Mikro programm : 2: X X 3: Steuerteil Adreßteil

43 Mikroprogrammierung: Begriffe... Mikroinstruktionsformate: horizontal: Steuersignale uncodiert Beispiel Ampel: Bit pro Lampe, d.h. 5 Steuerbits vertikal: weitestgehend codiert Beispiel Ampel: 2 Bits für die 4 möglichen Konfigurationen quasi-horizontal: teilweise codiert Beispiel Ampel: 2 Bits für die Auto-Ampel Bit für die Fußgängerampel Dek. Dek. Dek.

44 Geschaltete Datenpfade

45 Geschaltete Datenpfade Tri-State Bus: Alle Einheiten sind parallel geschaltet Nur jeweils eine Einheit darf schreiben (OE = ) Mehrere Einheiten können die Daten übernehmen (LD =, oft auch CE statt LD) Analogie: Gruppendiskussion Einheit Einheit 2 Einheit 3 Einheit 4 OE = LD2 = OE3 = LD4 =

46 Geschaltete Datenpfade Multiplexer: Jede Einheit separat angeschlossen Auswahl über Steuersignal(e) Meist n : (d.h. n Eingänge, Ausgang) oder : m, es gibt aber auch n : m Analogie: Cheftelefon mit mehreren Leitungen Einheit Einheit 3 S = MUX LD2 = Einheit 2

47 Datenbus Adreßbus Befehls zähler Inkre menter Instruktionsregister OP Kode Registeradressen A B K MUX Y MUX Adresse Mapping PROM Ausgang OE A MUX B MUX Adresse Daten Hauptspeicher Steuerung MWE D MAP Am29 CC CCEN I..3 Y CE M SIOi QIO CEµ i CT Am294 I N, I OVR I C, I Z I..2 C RAM i Qi F3, OVR C n+4,f= C n D Am29 Y A B I..8 MPS HS IR Befehls Branch Am29 Status/ MSR Am294 Am294 Y RB RA Am29 Inter MWE LD zähler Address Konstante Befehle Test µ SR Shift CIN MUX ADDR ADDR Befehle rupt (BAR) Mikroinstruktionsregister CCEN BSEL ASEL KMUX

56 Der Hauptspeicher Datenbus Adreßbus Befehls zähler Inkre menter Instruktionsregister OP Kode Registeradressen A B K MUX Y MUX Adresse Mapping PROM Ausgang OE A MUX B MUX Adresse Daten Hauptspeicher Steuerung MWE D Am29 Y MAP CC CCEN I..3 CE M SIOi QIO CE i µ CT Am294 I N, I OVR I C, I Z I..2 C RAM i Qi F3, OVR C n+4,f= C n D Am29 Y A B I..8 MPS HS IR Befehls Branch Am29 Status/ MSR Am294 Am294 Y RB RA Am29 Inter MWE LD zähler Address Konstante Befehle Test µ SR Shift CIN MUX ADDR ADDR Befehle rupt (BAR) Mikroinstruktionsregister CCEN BSEL ASEL KMUX

57 Der Hauptspeicher Adresse Hauptspeicher (CS) Daten MWE CS zeigt Beginn eines Zugriffs an. Wird im MI Rechner automatisch erzeugt. Zugriffspokoll: Lesen:. Adresse an Adreßeingang, MW E = R 2. Daten lesen Schreiben:. Adresse an Adreßeingang, MW E = W 2. Daten an Dateneingang, MW E = R

58 Aufgabe 6.2 Mikroprogramm IFETCH: (a) Ausgabe BZ an Adreßbus (b) Lesezyklus starten Daten vom Datenbus ins Instruktionsregister 2 (a) BZ erhöhen (b) Op-Code adressiert Mapping-PROM Speicherzelle enthält Adresse eines Mikroprogramms Mikroprogramm anspringen

59 IE I3 I2 I I KMUX K5 K4 K3 K2 K K K9 K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K K I2 I I I5 I4 I3 I8 I7 I6 A3 A2 A A ASEL B3 B2 B B BSEL ABUS* DBUS* I2 I I9 I8 I7 I6 CEMUE* CEM* I5 I4 I3 I2 I I CCEN* I3 I2 I I D D D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D D BZ_LD* BZ_ED* BZ_INC* BZ_EA* IR_LD* MWE* Interrupt Konstante Src Func Dest RA Addr RB Addr Y MUX CIN MUX Schiebe steuerung Statusregister Test AM29 Befehle Direktdaten AM29 AM294 AM29 BZ IR HS IFE TCH X X X X NOP X X X X H H X X H H X X CONT X R X X X X NOP X X X X H H X X H H X X CONT X R 2 X X X X NOP X X X X H H X X H H X X JMAP X R BZ_LD* BZ_ED* BZ_INC* BZ BZ_EA* IR_LD* MEW* IR HS R R R