Steuerwerk einer CPU. Einführung in die Technische Informatik Falko Dressler, Stefan Podlipnig Universität Innsbruck

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1 Steuerwerk einer CPU Einführung in die Technische Informatik Falko Dressler, Stefan Podlipnig Universität Innsbruck

2 Übersicht Implementierung des Datenpfads Direkte Implementierung Mikroprogrammierung Steuerwerk einer CPU 2

3 Lernziele Einführung in die Arbeitsweise eines CPU-Steuerwerks Detailliertes Verständnis der Abarbeitung eines Befehls in einer CPU am Beispiel MIPS Aufbau, Einsatz, und Vorteile eines mikroprogrammierbaren CPU- Steuerwerks Steuerwerk einer CPU 3

4 IMPLEMENTIERUNG DES DATENPFADS Steuerwerk einer CPU 4

5 Implementierung des Datenpfads (1) Wenn Befehle verarbeitet werden, dann durchlaufen sie Teile des sogenannten Datenpfads. Zur Implementierung des Datenpfads der MIPS ISA werden unter anderem benötigt: Arithmetisch-Logische Einheit (ALU) Registersatz mit 32 Registern Steuerwerk einer CPU 5

6 Implementierung des Datenpfads (2) Arithmetisch-Logische Einheit (ALU) Zwei 32-Bit Eingänge A und B Benötigte arithmetische Operationen: Addition A + B Subtraktion A B Benötigte logische Operationen and, or, nor, xor Bitweise auf 32-Bit Operanden A und B Vergleich, ob A < B Test auf A = B Mit separatem 1-Bit Ausgang Null Auswahl der Operation über 4-Bit Steuerleitung Steuerwerk einer CPU 6

7 Implementierung des Datenpfads (3) Registersatz Schaltwerk, das 32 Registern beinhaltet. Es sind zwei Leseports und ein Schreibport erforderlich. Zwei Register müssen gleichzeitig gelesen werden. Liefern Operanden A und B für ALU. Ein Register muss ALU-Ergebnis vom 32-Bit Dateneingang aufnehmen. Daten werden bei Impuls auf Steuerleitung RegWrite übernommen. Auswahl der Register über drei 5-Bit Register-Adress-Eingänge. Steuerwerk einer CPU 7

8 Implementierung des Datenpfads (4) Für eine umfangreichere Realisierung des Datenpfads einer MIPS ISA sind zudem erforderlich: zwei Multiplexer, eine Bit Vorzeichenerweiterung sowie Schnittstellen zum Datenspeicher. Steuerwerk einer CPU 8

9 DIREKTE IMPLEMENTIERUNG Steuerwerk einer CPU 9

10 Direkte Implementierung (1) In diesem Abschnitt soll zunächst ein einfaches Steuerwerk für die MIPS CPU realisiert werden, mit dem in einem Takt der nächste Befehl geholt (und der Befehlszähler erhöht), dekodiert (und die Steuersignale erzeugt), ausgeführt, und Ergebnisse gespeichert werden. Es sollen hier jedoch exemplarisch nur folgende ausgewählte Befehle unterstützt werden: Speicherzugriff mittels lw und sw Die Arithmetik/Logik-Befehle add, sub, and, or Vergleichs- und Sprungbefehl slt, beq und j Steuerwerk einer CPU 10

11 Direkte Implementierung (2) Aufgabe des Steuerwerks ist es, die Steuersignale für den Datenpfad der MIPS CPU zu erzeugen: Dieser Datenpfad unterstützt nur die Ausführungsphase eines Befehls und muss erweitert werden um Komponenten zur Realisierung der Befehlsholphase. Steuerwerk einer CPU 11

12 Direkte Implementierung (3) Vollständiger Datenpfad mit separatem Befehlsspeicher und Logik zur Ermittlung des Folgebefehlszählerstandes: Anmerkung: Befehls- und Datenspeicher sind zur Vereinfachung hier getrennt, sie gehören nicht zur CPU. Steuerwerk einer CPU 12

13 Direkte Implementierung (4) In Abhängigkeit vom Befehl müssen die Steuersignale zur Auswahl der ALU-Operation erzeugt werden: Bei arithmetisch/logischen Befehlen ist hierzu das Feld funct des R- Instruktionsformats zu analysieren. Für lw und sw wird die ALU zur Berechnung der Datenadresse eingesetzt. Für den Befehl beq muss die ALU subtrahieren. Steuerwerk einer CPU 13

14 Direkte Implementierung (5) Folgende Tabelle zeigt die erforderliche Ansteuerung der ALU in Abhängigkeit vom funct-feld und dem zusätzlichen Steuersignal ALUOp, das aus dem Opcode abgeleitet werden muss: X = don't care Realisierung durch eine einfache zweistufige Logik: ALU-Steuereingang = f(aluop,funct) Steuerwerk einer CPU 14

15 Direkte Implementierung (6) Die Hauptsteuereinheit muss die Befehle dekodieren, die entweder im R-Format oder im I-Format vorliegen: Die Steuersignale zur Ansteuerung des Registersatzes können somit unmittelbar dem Instruktionswort entnommen werden, je nach Instruktionsformat ist das Zielregister jedoch entweder an Bitpositionen oder kodiert. Zusätzlicher Multiplexer und Steuersignal RegDst sind nötig. Steuerwerk einer CPU 15

16 Direkte Implementierung (7) Steuerwerk einer CPU 16

17 Direkte Implementierung (8) Alle sieben Steuersignale werden durch Opcode festgelegt: Steuerwerk einer CPU 17

18 Direkte Implementierung (9) Datenpfad mit Steuereinheit: Steuerwerk einer CPU 18

19 Direkte Implementierung (10) Die Steuerleitung PCSrc lässt dich nicht direkt aus dem Opcode ableiten, sie wird gesetzt bei Befehl beq und aktivem Null Ausgang der ALU. Ablauf eines Befehls im R-Format wie z.b. add r1,r2,r3 erfolgt in einem Taktzyklus: 1. Befehl wird geholt und Befehlszähler um 4 erhöht. 2. Register r2 und r3 werden ausgelesen. 3. ALU verarbeitet Daten in Abhängigkeit vom Inhalt des funct-feldes (Bit 5 bis 0) des Instruktionswortes. 4. Ergebnis wird in Zielregister r1 geschrieben. Steuerwerk einer CPU 19

20 Direkte Implementierung (11) Ablauf eines Befehls im I-Format wie z.b. lw r1,disp(r2) erfolgt ebenso in einem Taktzyklus: 1. Befehl wird geholt und Befehlszähler um 4 erhöht. 2. Register r2 wird ausgelesen. 3. ALU berechnet Summe aus Offset disp (den Bits 15 bis 0 des Instruktionswortes entnommen und vorzeichenrichtig erweitert auf 32 Bit) und dem Inhalt von r2. 4. Die Summe am Ausgang der ALU dient zur Adressierung des Datenspeichers. 5. Gelesenes Datum wird in Zielregister r1 geschrieben. Anmerkung: Hier wird idealisiert angenommen, dass der Zugriff auf den Speicher keine zusätzliche Zeit benötigt. z.b. realisierbar durch schnellen Cache-Speicher oder geringen CPU-Takt. Steuerwerk einer CPU 20

21 Direkte Implementierung (12) Ablauf des bedingten Sprungbefehls beq r1,r2,offset in einem Taktzyklus: 1. Befehl wird geholt und um 4 erhöhter Befehlszählerstand ermittelt. 2. Register r1 und r2 werden ausgelesen. 3. ALU subtrahiert r1 und r2; gleichzeitig wird offset (den Bits 15 bis 0 des Instruktionswortes entnommen, vorzeichenrichtig erweitert auf 32 Bit und um 2 Bits nach links geschoben) zum neuen Befehlszählerstand addiert. 4. Der Null Ausgang der ALU entscheidet, ob nun der in 1) ermittelte Befehlszählerstand (Bedingung nicht erfüllt, Null = 0) oder der in 3) ermittelte Befehlszählerstand verwendet wird (Bedingung ist erfüllt, Null = 1). 5. Das Ergebnis wird im Befehlsregister gespeichert. Steuerwerk einer CPU 21

22 Direkte Implementierung (13) Zur Realisierung des unbedingten Sprungbefehls j ist das Steuerwerk noch geringfügig zu erweitern. Hier wird das dritte Instruktionsformat, das J-Format, verwendet: Erforderliche Modifikationen im Steuerwerk: Die unteren 26 Bit werden um 2 Bitpositionen nach links geschoben. Diese 28-Bit Adresse wird den oberen 4 Bit des um 4 erhöhten Befehlszählerstandes hinzugefügt. Ergebnis ist neuer 32-Bit Befehlszählerstand. Ein weiterer Multiplexer wird benötigt, der im Falle eines j Befehls den neuen Befehlszählerstand auswählt. Steuerwerk einer CPU 22

23 Direkte Implementierung (14) Gesamte Implementierung des Steuerwerks (englische Version): Steuerwerk einer CPU 23

24 MIKROPROGRAMMIERUNG Steuerwerk einer CPU 24

25 Mikroprogrammierung (1) Zur Realisierung sehr großer Schaltwerke, z.b. des Steuerwerks eines komplexen Prozessors, weisen festverdrahtete Steuerwerke einige Nachteile auf: Aufwendiger, fehleranfälliger Entwurf. Resultierende Schaltung ist häufig unübersichtlich. Schlechte Wartbarkeit: Hinzufügen einer neuen Funktion (z.b. eines neuen Befehls) erfordert oft einen kompletten Neuentwurf. Dem steht ein wichtiger Vorteil gegenüber: Sehr hohe Geschwindigkeit möglich, da alle Steuersignale sehr schnell erzeugt werden können. Steuerwerk einer CPU 25

26 Mikroprogrammierung (2) Eine Alternative zum festverdrahteten Steuerwerk stellt die Mikroprogrammierung dar (Wilkes, 1951): Idee: Ein Maschinenbefehl (zur Verdeutlichung hier auch Makrobefehl genannt) wird durch eine Sequenz aus Mikrobefehlen realisiert. Einsatz z.b. in Steuerwerken der IBM System/360 oder VAX. Jeder Mikrobefehl (bzw. Mikroinstruktion) beschreibt einige Mikrooperationen, die im gleichen Takt stattfinden. Ein Mikroprogramm beschreibt eine Folge von Mikrobefehlen, die einen Mikroprogramm-Algorithmus implementieren. Zeitlicher Ablauf ergibt sich aus Takt, mit dem die Mikrobefehle ausgeführt werden. Der Mikrobefehlszähler gibt an, welcher Mikrobefehl ausgeführt wird. Mikroprogramm wird im Mikroprogrammspeicher abgelegt, der je Speicherzeile einen Mikrobefehl enthält und typischerweise durch ein ROM oder PROM realisiert ist. Steuerwerk einer CPU 26

27 Mikroprogrammierung (3) Jeder Mikrobefehl kann eine bedingte Verzweigung enthalten, die abhängig von Eingabe E(t) eine Folgeadresse aus dem Speicher lädt. n-bit Mikrobefehl besteht aus m-bit Adressteil, k-bit Auswahlteil, und p-bit Steuerteil Adressteil legt Folgeadresse bei Verzweigungen fest. Auswahlteil wählt eine der 2 k Eingabeleitungen aus, deren Wert entscheiden soll, ob eine Verzweigung stattfindet. Steuerteil enthält sämtliche p Steuersignale für aktuellen Taktzyklus. Steuerwerk einer CPU 27

28 Mikroprogrammierung (4) Vollständiger Aufbau eines Mikroprogrammwerks: (hier für Mikrobefehl der Breite n = 14 Bit mit m = 5, k = 2 und p = 7) Steuerwerk einer CPU 28

29 Mikroprogrammierung (5) Beispiel: Realisierung der Steuerung eines bitseriell arbeitenden 4-Bit Addierers mittels Mikroprogrammierung. Addierer erhält die (Makro-)Befehle ADD oder SUB. Steuerwerk einer CPU 29

30 Mikroprogrammierung (6) Einige weitere Begriffe zur Mikroprogrammierung: Ein mikroprogrammierter Rechner enthält alle Mikrobefehle und Mikroprogramme in einem ROM. In einem mikroprogrammierbaren Rechner kann der Benutzer die Mikroprogramme in PROM, EPROM oder RAM modifizieren (z.b. zur Emulation anderer CPUs). Automatische Umsetzung von symbolischer Beschreibung in Mikroprogramme durch Mikroassembler möglich. Bei horizontaler Mikroprogrammierung legen einzelne Bits des Mikroprogrammwortes direkt alle Steuersignale fest. Bei vertikaler Mikroprogrammierung generiert ein Dekoder die Steuersignale aus dem Steuerteil des Mikroprogrammwortes. Steuerwerk einer CPU 30

31 Mikroprogrammierung (7) Vorteile: Hohe Skalierbarkeit Gute Wartbarkeit Einfache (weil reguläre) Architektur Nachteil: Geringe Geschwindigkeit Mikroprogrammierung wird in heutigen CPUs kaum noch verwendet, gelegentlich aber zur Steuerung komplexer Instruktionen (z.b. Multiplikation, Division) eingesetzt. Steuerwerk einer CPU 31

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