4 Prozessor-Datenpfad

Transkript

1 4 Vom zu lösenden Prolem hängige Schltung 75 4 Prozessor-Dtenpfd 4 Vom zu lösenden Prolem hängige Schltung Mit den isher kennengelernten Schltungen können ereits viele Prolemstellungen gelöst werden Nchfolgende Schltung löst die Qudrtische Gleichung x + x + c = Die Ausgänge R und R geen n, o ds Ergenis zwei reelle Lösungen ht (R =R =, eine reelle Lösung ht (R =, R =) oder keine reelle Lösung ht (R =, R =) DIV / x 4 4 4c SUB- 4c p X p 4c SUB - DIV / x SUB- - ADD n R c R Ds Prolem (qudrtische Gleichung lösen) wird durch die verwendeten Komponenten (Multiplizierer, Addierer, ) und deren Verknüpfungen (zb ein Eingng von Multiplizierer ist mit der Zhl verknüpft, der ndere mit, ) gelöst Soll ein nderes Prolem gelöst werden, enötigt mn ndere Verknüpfungen und ggf uch ndere Komponenten Während die Anzhl der Komponenten sowie die

2 76 4 Prozessor-Dtenpfd möglichen Verknüpfungen generell uneschränkt sind, ist die Menge der enötigten unterschiedlichen Rechenkomponenten {Addierer, Sutrhierer, } sehr üerschur Diese geringe Menge unterschiedlicher Rechenkomponenten ermöglicht es, Rechen- Schltungen zu uen, die unhängig vom zu lösenden Prolem sind, sog Universlrechner 4 Universlrechner: Schltung unhängig vom Prolem Allgemein Bei einem Universlrechner wird die gemischt prllel/serielle Struktur der Prolemlösung (vgl oige Schltung) serilisiert und der Reihe nch in einzelnen Schritten ereitet Die durch die Serilisierung nfllenden Zwischenergenisse werden in Speicherelementen (Register, Areitsspeicher) gesichert Die Verknüpfung der einzelnen Rechenkomponenten (vgl oige Aildung) entsteht ddurch, dss für jeden Serilisierungs-Schritt usgewählt wird, welche Werte/Zwischenergenisse von welchen Rechenkomponenten verwendet werden sollen und in welchem Speicherelement ds Ergenis gelegt werden soll Durch die Serilisierung muss jede zur Prolemlösung enötigte rithmetische Komponente nur einml vorhnden sein Beispiel-Schltung Nchfolgende Aildung zeigt einen solchen Universlrechner Arithmetische Schltungen Auf der rechten Seite efinden die rithmetischen Schltungen, die der Rechner verwenden knn Jede enötigte rithmetische Opertion wird durch genu eine entsprechende Schltung repräsentiert Register ls Quell-Opernden R, R,, R7 sind Register, in denen die (Zwischen-) Ergenisse gelegt werden können Mit M und M4 werden Opernden usgewählt, die von den rithmetischen Schltungen verreitet werden sollen Ht zb M den Wert und M4 den Wert, werden die Inhlte von Register R und R4 n die rithmetischen Schltungen ngelegt Die Eingänge der rithmetischen Schltungen sind lle miteinnder verunden, dh die Opernden liegen n llen Schltungen gleichzeitig n

3 4 Universlrechner: Schltung unhängig vom Prolem 77 Auswhl der Rechenopertion Die Auswhl der Rechenopertion (Addition, Sutrktion, ) erfolgt durch Auswhl des entsprechenden Ergenisses mittels M Ht zb M den Wert und M den Wert, dnn wird ds von Addierer A erechnete Ergenis n die Eingänge ller Register R, R, R7 gleichzeitig ngelegt Aspeichern des Ergenisses, Register ls Ziel-Opernd In welches Register ds Additions-Ergenis üernommen werden soll, wird durch den Demultiplexer D festelegt Ht zb D den Wert 4, so wird der invertierte Tkt clk n den Tkteingng von Register R4 ngelegt und Register R4 üernimmt ds Ergenis Alle nderen Register werden nicht getktet und ehlten somit ihren ursprünglichen Wert _F#L n MSB R D K ~ l%bo??nbi D4 R7 M n- D D D 7 D A D M4 6 D9 D8 ADD R6 D7 M 5 clk A7 D6 D5 _F BZ 4 A D4 M D D 7 D M R5 D M 6 SUB - 5 A 4 R4 M Add M reset R M 5 DIV / D R 4 M c M uonstnk R R M4 M4 p X inn

4 78 4 Prozessor-Dtenpfd Befehlswort-Konstnten Im Befehlswort können in den Bits 4 is Konstnten gelegt werden Um diese Konstnten in ein Register zu schreien, wird M uf und M uf gesetzt und ds entsprechende Register üer den Demultiplexer D getktet In der Schltung wird ds MSB uf die oeren n- Bits (n ist die Registerwortreite) erweitert Ddurch wird ei negtiven Zhlen (er-komplement) ds Vorzeichen eiehlten Eingänge Der Rechner verfügt üer drei Eingänge, und c, die üer M mit den Registern R, R, R7 verunden werden können Soll zb der n Eingng nliegende Wert in Register R6 üernommen werden, wird M uf und D uf 6 gesetzt Bei einer fllenden Flnke des Signls clk entsteht dnn n R6 eine steigende Flnke und ds m Eingng nliegende Dtenwort wird in Register R6 üernommen ROM: Speichern der Befehlsworte, Progrmme Die Signle von M, M, M, M4 und D kommen us dem ROM R Die in ROM R gespeicherten Dtenworte legen lso fest, welche Register-Inhlte ls Opernden n die rithmetischen Schltungen ngelegt werden, in welches Register ds Ergenis üernommen wird zw welcher Eingng,, c in welchem Register gespeichert werden soll Die im ROM gespeicherten Dtenworte werden deswegen uch Befehlsworte gennnt Üer den Adresseingng A, A7 wird usgewählt, welcher Befehl usgeführt werden soll Die Auswhl erfolgt üer ds Register BZ, dem Befehlszähler Im Befehlszähler ist die Adresse des gerde usgeführten Befehls gelegt Bei einer positiven Flnke n der Leitung clk und reset = wird der Befehlszähler durch den Addierer A immer um den Wert erhöht, dh es wird der im Speicher der uf den ktuellen Befehl folgende Befehl usgeführt Im Fll reset = wird ei einer steigenden Flnke uf der Leitung clk der Befehlszähler uf gesetzt, dh es wird der n Adresse stehende Befehl usgeführt Die Menge der im ROM gespeicherten uszuführenden Befehlsworte wird Progrmm gennnt Tktsignl clk Ds Tktsignl clk treit die Schltung n Mit jeder steigenden Flnke wird der Befehlszähler BZ so geändert, dss der nächste uszuführende Befehl dressiert wird Ds entsprechende Befehlswort liegt dnn m Ausgng des ROMs R n und schltet üer die Multiplexer M, M, M, M4 und den Demultiplexer D die gewünschten Dtenpfde frei Bei der druf folgenden fllenden Flnke wird ds erechete zw usgewählte Ergenis in ds durch D spezifizierte Register üernommen, d durch den Inverter n dem

5 4 Universlrechner: Schltung unhängig vom Prolem 79 usgewählten Register dnn eine steigende Flnke nliegt Die Üernhme des Ergenisses ei fllender clk-flnke wird ei der gezeigten Schltung dzu verwendet, die Setup- und Hold-Zeiten der Register einzuhlten So knn sichergestellt werden, dss sich die n den Registern R, R7 nliegenden Werte unmittelr vor und unmittelr nch der Üernhme des Ergenisses nicht ändern Nchfolgende Aildung zeigt den durch ds clk-signl festgelegten zeitlichen Aluf enötigte Setup-Zeit enötigte Hold-Zeit enötigte Setup-Zeit enötigte Hold-Zeit Zeitpunkt, zu dem ds Ergenis in R, R7 üernommen wird Auswhl der Opernden durch M und M4, Durchführen Berechnungen (duert in Ahängigkeit der durchzuführenden Opertion unterschiedlich lnge), Auswhl des gewünschten Ergenisses durch M, weiterleiten des Ergenisses durch M, Anpssung des clk-pfds durch D Zeitpunkt, zu dem ds Ergenis in R, R7 üernommen wird Auswhl der Opernden durch M und M4, Durchführen Berechnungen (duert in Ahängigkeit der durchzuführenden Opertion unterschiedlich lnge), Auswhl des gewünschten Ergenisses durch M, weiterleiten des Ergenisses durch M, Anpssung des clk-pfds durch D Zeitpunkt, zu dem der Befehlszähler BZ ktulisiert wird und ds neues Befehlswort m ROM-Ausgng nliegt A diesem Zeitpunkt werden durch ds geänderte Befehlswort ndere Opernden usgewählt, die dnn durch die rithmetischen Schltungen lufen Zeitpunkt, zu dem der Befehlszähler BZ ktulisiert wird und ds neues Befehlswort m ROM-Ausgng nliegt A diesem Zeitpunkt werden durch ds geänderte Befehlswort ndere Opernden usgewählt, die dnn durch die rithmetischen Schltungen lufen

6 h Ahs in 8 4 Prozessor-Dtenpfd Aufgen Verständnisfrgen ) Wozu dienen die Multiplexer M und M4? Ahs wll de Opernden ) Wie wird ei dem Rechner usgewählt, welche Opertion (Addieren, Sutrhieren, Multiplizieren, ) usgeführt werden soll? Alle Opertion en Werder gleich - zitig usgefnht c) Welche Funktion ht der Multiplexer M? d) Wozu dient der Demultiplexer D? Whl des genius htm Ergenisses ie Mz Wlt vi ihlt Eiugng ours iuvetrekclk - We den Soll ds, ode leeohhety Ergenj n Welches Register dy, d signl n wet dies gegt Register Ergenis gesdmieen we den Soll

7 4 Universlrechner: Schltung unhängig vom Prolem 8 e) Wozu dient der Inverter? generic irs fllen de cue - Flnker ein sleigh the Tufte Ergeuis speichem f) Wozu dient ds Register BZ? BZ = Befehlszihler Adursiet den dusmtnhnnokn Befell g) Wozu dient der Addierer A? Erhiht BZ uiohste h) Wozu dient der Multiplexer M? Befell Auswhl uihste Befell Hester Befell

8 8 4 Prozessor-Dtenpfd i) Wozu wird im oeren rechten Teil der Schltung ds Bit D uf die n Bits n erweitert? konstntek wrrd uf die Workout h erweitet mite Beiehlhny old Uorzciche Gegeen sind die folgenden Signllufzeiten der rithmetischen Schltungen: Addierer = ns; Sutrhierer = ns; Multiplizierer = 5 ns; Dividierer = 9 ns; Wurzel = 9 ns ignllnfzith lwlhipkxe ven chess i gen! j) Wie hoch drf der Rechner mximl getktet werden, wenn die Setup-Zeit ns und die Hold-Zeit 5 ns eträgt? ns - T Ghl nous ns = 5µs Aµ snmhz 5 MHz -

9 4 Universlrechner: Schltung unhängig vom Prolem 8 k) In der CMOS-Technik wird viel Strom ei Pegelüergängen verrucht, d dnn Vcc für einen kurzen Zeitrum vergleichsweise niederohmig mit Msse verunden ist Wie könnte mn die gezeigte Schltung hinsichtlich dieses Stromverruchs veressern? Register vor rithm Soholhmjh =D Auelloperuden in den sick mr i de Schoening, den we heine Ergehisnsgewohet unuifrgen Liergx Sdltmgen in midst vywendekn

10 84 4 Prozessor-Dtenpfd Progrmmierufgen Qudrtische Gleichung In diesem Aschnitt soll für den Universlrechner ein Progrmm zur Berechnung von x, = ± p 4 c erstellt werden Nchfolgende Aildung zeigt noch einml den Universlrechner clk reset c BZ M R D D4 D D D D D9 D8 A7 D7 D6 D5 A D4 D D D D Add M M A K D M4 M M M D R7 R6 R5 R4 R R R R MSB M n- 7 A 6 ADD 5 4 SUB - M DIV / 4 p X M4 n M 4 5 M M4