Hardware Steuerwerk. Dr.-Ing. Volkmar Sieh. Department Informatik 3: Rechnerarchitektur Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg SS 2008

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1 Hardware Steuerwerk Dr.-Ing. Volkmar Sieh Department Informatik 3: Rechnerarchitektur Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg SS 2008 Hardware Steuerwerk 1/

2 CPU-Struktur Hardware Steuerwerk 2/

3 CPU-Steuerwerk Beispiel Soll im Beispiel der Befehl ausgeführt werden, dessen Adresse im PC steht, laufen folgende Schritte ab: 1: Holen der Instruktion Öffnen Tor 11 und Aktivieren des MR-Signals Übernahme der Daten des Data-Bus ins Inst.-Reg. (2) Schliessen Tor 11 und Deakt. des MR-Signals Für dieses Beispiele stehe jetzt add $..., %accu im Inst.-Reg 2: Inkrementieren des Program-Counters Öffnen Tor 12 Übernahme der Daten des Data-Bus ins Op-Reg. op1 (6) Schliessen Tor 12, Signalisierung Inc an 1, Öffnen Tor 9 Übernahme der ALU-Daten in den PC (10) Schliessen Tor 9 Hardware Steuerwerk 3/

4 CPU-Steuerwerk Beispiel 3: Holen des Immediate-Operanden Öffnen Tor 11 und Aktivieren des MR-Signals Übernahme der Daten des Data-Bus ins Op-Reg. op2 (7) Schliessen Tor 11 und Deakt. des MR-Signals 4: Nochmaliges Inkrementieren des Program-Counters Öffnen Tor 12 Übernahme der Daten des Data-Bus ins Op-Reg. op1 (6) Schliessen Tor 12, Signalisierung Inc an 1, Öffnen Tor 9 Übernahme der ALU-Daten in den PC (10) Schliessen Tor 9 Hardware Steuerwerk 4/

5 CPU-Steuerwerk Beispiel 5: Durchführen der Operation Öffnen Tor 4 Übernahme der Daten des Data-Bus ins Op-Reg. op1 (6) Schliessen Tor 4, Signalisierung Add an 1, Öffnen Tor 9 Übernahme der ALU-Daten in den Accu (5) und das CC-Reg. (3) Schliessen Tor 9 6: nächsten Befehl holen und ausführen Hardware Steuerwerk 5/

6 CPU-Steuerwerk Aufgabe des Steuerwerks ist es, entsprechend der Werte im inst- bzw. CC-Reg (Input) in einer zeitlichen Abfolge (CLK) die Instruktionen an die ALU (1) die Signale für die Tore und Register (2-12) die Read- (MR) und Write-Signale (MW) an den Speicher die Read- (IOR) und Write-Signale (IOW) an die I/O-Geräte (Output) zu generieren. => Steuerwerk ist programmierter Automat Hardware Steuerwerk 6/

7 CPU-Steuerwerk Steuerwerk ist (binär) programmierter Automat, der in der Lage ist, (binär kodierte) Hochsprachenprogramme abzuarbeiten.?!? Steuerwerk ist allgemeingültig. Es kann alle Hochsprachenprogramme abarbeiten! Hardware Steuerwerk 7/

8 CPU-Steuerwerk Moore-Automat: Die Umsetzung Zustand, Input => Nachfolgezustand (Funktion F ) Zustand, Input => Output (Funktion G) geschieht über Kombination Tabelle (ROM) Hardware Steuerwerk 8/

9 CPU-Steuerwerk Beispiel Inst CC State Next ALU Tore, Register, MR, 11 Holen d. Inst MR, 2, Inc. PC , INC INC 9, 10 ADD$ MR, 11 Holen Imm. Op ADD$ MR, 7, 11 ADD$ Inc. PC ADD$ , 12 ADD$ INC 9 ADD$ INC 9, 10 ADD$ ADD durchfüh ADD$ , 6 ADD$ ADD 9 ADD$ ADD 3, 5, 9 Hardware Steuerwerk 9/

10 CPU-Steuerwerk Beispiel Inst CC State Next ALU Tore, Register, JE MR, 11 Holen Sprungoffse JE MR, 7, 11 JE PC nach Op1 JE , 12 JE INC 9 Inc. PC JE INC 9, 10 JE ADD 9 Offset z. PC add. JE ADD 9, 10 Hardware Steuerwerk 10/

11 CPU-Steuerwerk verschiedenen Möglichkeiten: die Tabelle zur Berechnung der Signale für die Tore, Register, ALU und den Speicher enthält für jedes Signal genau einen Eintrag ( horizontales Steuerwort ) => nur Tor 1 geöffnet; alle anderen geschlossen => Tore 3, 5, 6 gleichzeitig geöffnet log 2 N Einträge für alle N Signale ( vertikales Steuerwort ) 0010 => nur Tor 2 geöffnet 0111 => nur Tor 7 geöffnet Mischform: ( quasi-horizontales Steuerwort ) Gruppen von Signalen jeweils zusammengefasst und vertikal kodiert; alle Gruppen zusammengefasst und horizontal kodiert => Tor 2 (Grp. 0) und Tor 4 (Grp. 1) gleichzeitig geöffnet => Tor 3 (Grp. 0) und Tor 7 (Grp. 1) gleichzeitig geöffnet Hardware Steuerwerk 11/

12 CPU-Steuerwerk horizontales Steuerwerk vertikales Steuerwerk quasi-horizontales Steuerwerk Hardware Steuerwerk 12/

13 CPU-Steuerwerk horizontales Steuerwort hoher Speicheraufwand; mehrere Tore können gleichzeitig geöffnet werden vertikales Steuerwort geringer Speicheraufwand; es kann jeweils nur ein einzelnes Tor geöffnet werden; teurer Dekodierer quasi-horizontales Steuerwort mittlerer Speicheraufwand; Tore können z.t. gleichzeitig geöffnet werden Hardware Steuerwerk 13/

14 CPU-Steuerwerk Verbesserungsmöglichkeiten: mehr Register breitere Busse (z.b. 32-Bit => 64-Bit) Extra-Adress-Rechenwerk (z.b. gleichzeitige Inkrementierung PC und Ausführung ADD) zusätzliche Busse (z.b. gleichzeitige Ausführung ADD und Holen der nächsten Instruktion) zusätzliche Rechenwerke (Super-Skalar) (gleichzeitige Ausführung mehrerer Berechnungen)... => Selbst ein (einfacher) Mikro-Controller (z.b. m68x05) schafft ADD $... in 2 Takten! Hardware Steuerwerk 14/

15 CPU-Steuerwerk mit Interrupts/Exceptions CPU soll auch Interrupts und Exceptions verarbeiten können => zusätzlicher Interrupt-Eingang zusätzliches Interrupt-Enable-Register (IE) Möglichkeit, CC-Bits zu speichern / laden Stack-Pointer Hardware Steuerwerk 15/

16 CPU-Steuerwerk mit Interrupts/Exceptions Hardware Steuerwerk 16/

17 CPU-Steuerwerk mit Interrupts/Exceptions Aufgabe des Steuerwerks ist es, entsprechend der Werte in inst-, CC, Err und Irq in einer zeitlichen Abfolge (CLK) Signale zu generieren Hardware Steuerwerk 17/

18 CPU-Steuerwerk mit Interrupts/Exceptions Beispiel Inst CC Irq/Err State Next ALU Signale Interrupt MR, 11 Holen d. Inst Durchf. d. Op. ADD$ , 6 ADD$ ADD 9 ADD$ ADD 3, 5, 9 ADD$ Exception IP pushen IE/CC pushen Int.-IP laden Exc.-IP laden Hardware Steuerwerk 18/

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