Rechnernetze und Organisation

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1 Control Unit Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit

2 Üersicht Motivtion Control Unit Digitle Schltungen Komintorische Logik Seuentielle Logik Finite-Stte Mchines Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 2

3 Motivtion Wie sind Prozessoren ufgeut? Wie funktioniert digitle Elektronik? Foto md Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 3

4 Prozessor Prozessor-Architektur Dtenpfd Arithmetic Logic Unit (ALU) Register Kontrollpfd: Control Unit Generelle Hrdwre-Architekturen Dtenpfd Führt Berechnungen durch Kontrollpfd Steuert Dtenpfd Control Unit Control IP Instr. pointer IR Instr. Register MAR Mem. ddr. Reg. Address Control Dtenpfd Kontrollpfd Sttus CPU MBR Mem. Buf. Reg. Dt Hrdwre EAX EAX EAX EAX Accumultor ALU Arithm. Logic Unit Systemus Input Output Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 4

5 Control Unit Clock Aufgen der Control Unit Steuert Prozessorläufe Architektur Mehrere Tkte für Fetch-Execute Counter Decode fetch decod oper exec store Control Unit Clk Phse Fetch IR Flgs Seuencer Decode Opernd Exec next_dr Instruction Cycle Memory 5 Store ALU IR, IP Bus Registers Control signls Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 5

6 RISC versus CISC RISC: Reduced Instruction-Set Computer Einfche Instruktionen Move, Add, Sutrct, Shift,... Einheitliches Instruktionsformt Jede Instruktion: 32 Bit Ausführungszeit jeder Instruktion gleich Typische RISC-CPUs: MIPS, Sprc CISC: Complex Instruction-Set Computer Einfche und komplexe Instruktionen String-Vergleich, Verschiedene Instruktionsformte Byte, 2 Byte,... Instruktionen Unterschiedliche Ausführungszeit Typische CISC-CPUs: 85, 68, 8x86, Pentium Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 6

7 Control Unit Mikro-Progrmm Wird gereitet um Prozessor- Instruktion zureiten Erzeugt Kontrollsignle direkt us ROM-Inhlt Seuencing: Steuerung des Mikroprogrmm- Alufes Code Time t4 t5 t6 t4 t5 t6 t4 t5 t6 t4 t5 t6 Micro-opertion PC IR - - MAR IR MBR Memory AC MBR MBR AC MAR IR Memory MBR - MAR IR MBR Memory AC (AC)+(MBR) Telle r.osorne Control Signls PCL - - Red, MBR in S, MBRL Write, MBR out S - Red, MBR in S, MBRL Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 7

8 Digitle Schltungen Digitl-Elektronik = Synchrone Schltungen Komintorische Logik Führt Berechnungen us Jede Input Signländerung strtet Neuerechnung Seuentielle Logik Speichert Zustände Zustände ändern sich nur zur Tktflnke Glole Signle Clock: Tktsignl Reset Input Clock Reset Komintorische Logik Seuentielle Logik D R Q Clk Output Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 8

9 Schichtenmodell von Schltungen Architektureene Modulrer Aufu Register-Trnsfer-Eene Tktzyklen-genue Beschreiung Logikeene Boolesche Funktion Gttereene Komintorische Gtter und seuentielle Gtter Schltungseene Trnsistoren, Leitungen Architektur Register-Trnsfer Logik Gtter Schltung Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 9

10 Komintorische Logik Outputs hängen nur von Inputs Keine Zustände gespeichert Permnente Evluierung Input-Änderung ewirkt sofortige Outputänderung Beispiel BCD zu 7-Segment Decoder BCD: Binry coded deciml Wndelt Binärzhlen In 7-Segment-Ansteuerung Input i 3 i 2 i i Komintorische Logik 4 7 Output c d e f g Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit

11 Komintorische Logik: Not, And, Or NOT AND OR & >= = not in =! = = nd = && =. = = or = = + Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit

12 Komintorische Logik: Weitere Gtter NAND & NOR >= XOR = XNOR = = not ( nd ) =!( && ) =. = = not ( or ) =!( ) = + = not ( == ) = ^ = = ( == ) =!( ^ ) = Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 2

13 Komintorische Logik Viele Inputs sind möglich u.u. Aufteilen des Gtters c d c d c d Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 3

14 Komintorische Logik Drstellungsrten Formel (Boolesche Ausdruck) =.s +.s Verhltenseschreiung module mux (,,, s); output ; input,, s; ssign = s? : ; endmodule Whrheitstelle Krnugh-Digrmm Symol s Schemtic s s s s =.s +.s Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 4

15 Komintorische Logik Multi-level Logic Digitle Logik knn mehrstufig sein Belieige Stufennzhl Summe-von-Produkten Drstellung Hilft von Whrheitstelle zu B.-Formel Beispiel = s + s + s + s Vereinfchung des Terms möglich =.s +.s NAND und NOR Elementre Gtter Können jede (!) Funktion ilden s s s Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 5

16 Komintorische Logik Relisierung eines NAND = Mit Schltern, Ventilen,... In Hrdwre CMOS Trnsistor-Schltung Trnsistoren reiten ls Schlter Im Regl des Elektronikshops = 74HC: Qud Nnd-2 4 Nnd-Gtter in einem Gehäuse Foto tsuku Vdd Gnd Vdd Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 6

17 Komintorische Logik Komintorik und Softwre AND OR XOR Eigene Instruktionen für logische Verknüpfungen Sehr schnell Nicht Verknüpfung einzelner Bits sondern gnzer Wörter Löscht estimmte Bits Setzt estimmte Bits Invertiert estimmte Bits Testen o Bits gesetzt Input AND Mske = Mske? Testen o Bits gelöscht NOT-Input AND Mske = Mske? Beispiele AND ACC = x5 = MASK = x3c = Löscht estimmte Bits AND ACC, MASK = OR Setzt estimmte Bits OR ACC, MASK = XOR Invertiert estimmte Bits XOR ACC, MASK = 4. Bit gesetzt? if (ACC & ( << 3)) 3. Bit gelöscht? If (~ACC & ( << 2)) Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 7

18 Seuentielle Logik Seuentielle Logik speichert Dten Flipflop speichert ein Bit Speichert ei steigender Clock-Flnke Zeitpunkt! Reset knn Ausgng zurücksetzen Reset ht Priorität Definierter Strtwert» Nch Power-Up Clock-Eingng = Systemtkt Dt in Dt out Clock Reset Dt in Clock Reset D Q Clk R Reset Norml opertion Dt out Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 8

19 Seuentielle Logik Wie werden Bits gespeichert? Durch positive Rückkopplung Wert leit erhlten Dt in Dt out enle Ltch Negtive Rückkopplung Würde zu Oszilltion führen Ltch Level-sensitiver Speicher Rückgekoppelter Multiplexer Flipflop Flnken-sensitiver Speicher Mster- und Slve-Ltch Dt in Clock Mster-Ltch Slve-Ltch Flipflop Dt out Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 9

20 Endliche Automten Finite-Stte Mchines (FSM) Seuentielle Logik Speichert Zustnd n Flipflops: 2 n Zustände möglich Komintorische Logik Berechnet folgenden Zustnd Next-Stte Logic Folgezustnd hängig von Momentnen Zustnd Inputs Input Clock Reset Komintorische Logik Seuentielle Logik D R Q Clk Output Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 2

21 Finite-Stte Mchine Reset Beispiel Blinklicht für Bustelle Idle Anforderungen Nch Einschlten Alle Lmpen Aus Nch Strt Luflicht Läuft immer weiter... Zustndsmschine 4 Zustände: Idle, S, S, S2 Zumindest zwei Zustndsits nötig Strt S S S2 Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 2

22 Finite-Stte Mchine S[2:] S2 Seuentielle Logik S D Q Output Clk R Input Strt S S Komintorische Logik Finite-Stte Mchine Clock Reset D D Q Clk R Q Clk R S S2 Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 22

23 Timing-Digrmm Timing-Digrmm Zeigt zeitlichen Aluf Synchrone Schltung Zustndswechsel Nur zu Clock-Flnken Glole Signle Clock, Reset Zu jedem Flipflop Strt Output Idle S S S2 S S S2 Clock Reset Input Strt S[2:] S2 S S Komintorische Logik Finite-Stte Mchine Clock Reset Seuentielle Logik S D Q D D R R R Clk S Q Clk S2 Q Clk Output Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 23

24 Control Unit Zusmmenfssung Kontrollpfd eines Prozessors Digitle Schltungen Sind synchrone Schltungen Bestehen us komintorischer und seuentieller Logik Litertur: Ro Willims, Computer Systems Architecture, Addision-Wesley, 2: Kpitel 4. Professor Dr. Johnnes Horst Wolkerstorfer Cerjk, RNO VO3_controlunit 24

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