3. Mikroarchitekturen

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Emil Geiger
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1 2 3. Mikroarchitekturen Peter Marwedel Informatik 2 TU Dortmund 23/5/2 Diese Folien enthalten Graphiken mit Nutzungseinschränkungen. Das Kopieren der Graphiken ist im Allgemeinen nicht erlaubt.

2 Gegenüberstellung der Definitionen Programmierschnittstelle Externe Rechnerarchitektur Architektur Rechnerarchitektur Interner Aufbau Interne Rechnerarchitektur Mikroarchitektur Rechnerorganisation Die externe Rechnerarchitektur definiert Programmier- oder Befehlssatzschnittstelle engl. instruction set architecture, (ISA) eine (reale) Rechenmaschine bzw. ein application program interface (API). Executables (Binärprogramme) Betriebssystem Befehlsschnittstelle (instruction set architecture) Mikroarchitektur Gatter 2,

3 Gegenstand des Kurses RA - Definitionen von Rechnerarchitektur - Def. (nach Stone): The study of computer architecture is the study of the organization and interconnection of components of computer systems. Computer architects construct computers from basic building blocks such as memories, arithmetic units and buses. From these building blocks the computer architect can construct anyone of a number of different types of computers, ranging from the smallest hand-held pocket calculator to the largest ultra-fast super computer. The functional behaviour of the components of one computer are similar to that of any other computer, whether it be ultra-small or ultra-fast. 2,

4 3. Notation: VHDL-Datentypen Vorteile einer Hardware-Beschreibungssprache (engl. hardware description language, HDL): präzise Spezifikation, Möglichkeit der Simulation, Kommunikation zwischen Entwicklern, automatisierte Erzeugung/ Überprüfung von Designs, Dokumentation des Arbeitsergebnisses, Beschleunigung des Entwurfsprozesses. Verbreitet: VHDL (VHSIC Hardware Description Language) VHSIC = very high speed integrated circuit. Unterscheidung zwischen Folgen von Bits und deren Interpretion als Wert in einem anderen Bereich. 2,

5 Datentypen integer und natural integer und dafür übliche arithmetische Operationen +, < usw. sind vordefiniert. Ableitung mittels subtype-definitionen: subtype natural is integer range to integer high; subtype positive is integer range to integer high; Abgeleitete Typen sind zuweisungskompatibel. Obere Grenzen des darstellbaren Bereichs sind implementationsabhängig. integer high = obere Grenze des darstellbaren Zahlenbereichs. 2,

6 Datentyp boolean boolean ist vordefiniert: type boolean is (False, True); boolean wird also durch Aufzählung der möglichen Werte definiert. 2,

7 Datentypen bit und bit_vector bit ist vordefiniert durch type bit is ('', ''); Literale des Typs bit werden durch einfache Anführungszeichen bezeichnet. bit_vector ist vordefiniert durch type bit_vector is array (natural range <>) of bit; <> = ausgelassener Index eines unconstrained array, (Indexgrenzen durch einen Teilbereich der natürlichen Zahlen später festzulegen). Beispiel: variable instruction : bit_vector (3 downto ); downto: absteigender Indexbereich. In dieser Vorlesung: untere Indexgrenze meist = 2,

8 Der Datentyp bit_vector (2) Literale in doppelten Anführungszeichen: "" Für bit und bit_vector sind die üblichen logischen Operationen (AND usw.) vordefiniert. a left ist der am weitesten links stehende Index eines Vektors. Weiterhin: Konkatenation: "" & "" & "" & 2,

9 3.2 Realisierung elementarer Datentypen 3.2. Operationen auf Bitvektoren Die meisten Befehlssätze unterstützen Bitvektor-Operationen auf begrenzter Länge (häufig: ein Wort) Schiebeoperationen Hier: shift right logical, shift left logical, shift right arithmetical, shift left arithmetical: srl(a) = & a (a left downto ) ) 2,

10 Schiebeoperationen sra(a) = a (a left) & a (a left downto ) ) sll(a) = a (a left- downto ) ) & sla(a) = a (a left)& a(a left-2 downto )& Erklärung von Schiebeoperationen um n Stellen durch n-maliges Schieben um Stelle. 2,

11 Realisierung der Operationen auf Bitvektoren: Schieben Realisierung mit barrel shiftern. Schaltskizze soll ähnlich wie das Schieben eines Fasses aussehen können (nie selbst gesehen) Elementarbausteine, z.b. 4 Ausgänge, Schieben: -3 Stellen: 2,

12 Realisierung der Operationen auf Bitvektoren: Schieben Elementarbaustein, 4 Ausgänge, Schieben: -3 Stellen: p. marwedel, 2,

13 Barrelshifter mit 6 Ausgängen p. marwedel, 2,

14 Barrelshifter mit 6 Ausgängen 2,

15 Barrelshifter für das Schieben um bis 5 Stellen: 2,

16 Barrelshifter für das Schieben um bis 5 Stellen: 2,

17 Weitere Information zu Barrel Shiftern Anwendung: u.a. Normalisierung von Gleitkommazahlen Simulation: webdemos/-gates/6-barrel/shifter8.jnlp 2,

18 3.2.2 Natürliche Zahlen Übliche Interpretation von Bitvektoren als natürliche Zahlen: nat(a) a' left a i i 2 i Beispiel: nat("") = 8. 2,

19 Addition Ergebnis: Summe natürlicher Zahlen, soweit dies bei fester Datenwortlänge möglich ist. Bezeichnungen: Argumente durch Bitvektoren a = ( a n-,..., a ) und b = ( b n-,..., b ) repräsentiert. Ergebnis durch f = ( f n-,..., f ) dargestellt i, i n : c i : Übertrag in die Stelle i hinein 2,

20 Subtraktion Für das Zweierkomplement gilt: -B= B+, also A-B = A+ B+ Die Subtraktion kann also einfach auf die Addition zurückgeführt werden. (siehe arithmetisch/logische Einheiten (ALUs)). 2,

21 Beispiel einer arithmetisch/logischen Einheit: 748 Steuersignale S3,S2,S,S und M. p. marwedel, 2,

22 Überläufe Wir möchten gerne wissen: wann ist () nat(a) + nat(b) 2 n? (2 n = erste nicht mehr durch f darstellbare Zahl) Aus () folgt: (2) n- i= n- a i *2 i + i= b i *2 i 2 n Ungleichung erfüllt, wenn bei der Addition ein Übertrag in die Stelle n hinein entsteht. Bei der Addition natürlicher Zahlen ist der Überlauf c f gleich dem Übertrag c n in die nächste Stelle. 2,

23 Überläufe Für c n gilt: cf + = c n = (a n- b n- ) ((a n- xor b n- )c n- ) (xor wegen des. Terms durch ersetzbar) = (a n- b n- ) ((a n- b n- ) c n- ) = (a n- b n- ) (a n- c n- ) (b n- c n- ) c n- meist nur intern verfügbar Ersatz durch verfügbaren Wert! 2,

24 Überläufe c n = (a n- b n- ) (a n- c n- ) (b n- c n- ) c n- c n b n- f n- b n- c n- c n- c n b n- a n- a n- a n- c n = (a n- b n- ) (a n- f n- ) (b n- f n- ) f n- extern bekannt: (z.b. Abfrage < für Zweierkomplementinterpretation). 2,

25 Subtraktion Differenz natürlicher Zahlen, soweit darstellbar. Überläufe: Der Überlauf cf_ ist gleich dem Borgebit c n in die erste nicht mehr darstellbare Stelle: c n f n- c n- b n- b n- c n- a n- a n- Gemäß linkem Teil: cf_ = (a n- b n- ) (a n- c n- ) (b n- c n- ) Statt internem c n- extern bekanntes f n- verwenden! Aus KV-Diagramm: cf_ = (a n- b n- ) (a n- f n- ) (b n- f n- ) 2,

26 Größenvergleich Der Größenvergleich basiert häufig auf den Inhalten der Condition-Code Register (flags) nach Ausführen einer Subtraktion. Dazu gehören typischerweise: carryflag c n (=cf_ nach einer Subtraktion) zeroflag zf : zf ='' i [..n-]: f i ='' signflag sf : sf ='' f n- ='' 2,

27 Berechnung der Relationen anhand der flag-register Berechnung der Vergleichsergebnisse bei Interpretation als natürliche Zahlen nach einer Subtraktion aus zf und cf_ = c n : a<b (a-b)< a b ((a-b)<) cf_ = '' cf_ = '' a>b ((a- b) ) (a-b) (cf_ = '') (zf = '') a b (a>b) (cf_ = '') (zf = '') Typische Anwendung bei x86- & ARM-Architektur; nicht so bei der MIPS- Architektur. ARM instruction set tests [ARM] Unsigned higher or same Unsigned lower Unsigned Higher Unsigned Lower or Same Not Equal C set C clear C set and Z clear C clear or Z set Z clear ARM (+652): C='' unter der Borge -Bedingung. Gegenüber Mehrzahl der Maschinen invertiert. 2,

28 Multiplikation Siehe Rechnerstrukturen, Wallace-Tree-Multiplizierer 2,

29 Zusammenfassung Realisierung elementarer (Maschinen-) Datentypen Operationen auf Bitvektoren Barrel shifter Natürliche Zahlen Konvertierung Bitvektor natürliche Zahl Basisbausteine: ALUs Erkennung von Überläufen Parallele Multiplikation Ganze Zahlen Konvertierung Bitvektor ganze Zahl Erkennung von Überläufen Booth-Multiplikation 2,

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