Datenpfad einer einfachen MIPS CPU Die Branch Instruktion beq Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 13
Betrachten nun Branch Instruktion beq Erinnerung, Branch Instruktionen beq ist vom I Typ Format: 31 26 25 21 20 16 15 0 opcode reg1 reg2 Offset 6 Bit 5 Bit 5 Bit 16 Bit I Typ (Immediate Typ) beq Instruktion macht immer folgendes: Ziehe zwei Register voneinander ab (reg1 und reg2) Wenn das Ergebnis ungleich 0: nächste Instruktion ist bei PC+4 Wenn das Ergebnis gleich 0 : Sign Extension von 16 Bit Offset auf 32 Bit Zahl x x = 4*x (lässt sich durch ein Links Shift von 2 erreichen) nächste Instruktion ist bei PC+4+x Berechnung reg1 reg2 ist durch den Datenpfad schon realisiert. Für den Rest brauchen wir noch zwei neue Bausteine: Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 14
Sign Extend und Shift Left 2 k Sign Extend n Shift Left 2 Vorzeichenbehaftetes Ausweiten von k auf n Leitungen (z.b. 16 auf 32). Links oder Rechts Shift von Leitungen (z.b. Shift Left 2) Grundlagen der Rechnerarchitektur Logik und Arithmetik 15
Wir müssen außerdem eine Auswahl treffen Wenn die aktuelle Instruktion ein beq ist, dann berechne den PC nach vorhin beschriebener Vorschrift. Wenn die Instruktion kein beq ist, dann bestimme den PC wie bisher gehabt; also PC=PC+4. Zum Treffen von Auswahlen brauchen wir eine weiteren Bausteintyp: Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 16
Multiplexer A B A 32 B 32 A 1 A 2 A 3 A 4 Select 0 Mux 1 Select 0 Mux 1 Select Mux 32 C Für ein Bit C Für n Bit (z.b. 32 Bit) C Für n Bit Select (z.b. 2 Bit) C = A, wenn Select = 0 C = B, wenn Select = 1 C = A 0, wenn Select = 00 C = A 1, wenn Select = 01 C = A 2, wenn Select = 10 C = A 3, wenn Select = 11 Grundlagen der Rechnerarchitektur Logik und Arithmetik 17
Erweiterung des Blockschaltbilds Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 18
Datenpfad einer einfachen MIPS CPU Zugriff auf den Datenspeicher Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 19
Betrachten nun Load und Store Word Erinnerung, Instruktionen lw und sw sind vom I Typ Format: 31 26 25 21 20 16 15 0 opcode reg1 reg2 Offset 6 Bit 5 Bit 5 Bit 16 Bit I Typ (Immediate Typ) Die Adresse des Speicherzugriffs berechnet sich wie folgt: Sign Extension von 16 Bit Offset auf 32 Bit Zahl x Adresse ist Inhalt von reg1 + x Hierzu werden wir vorhandene ALU und Sign Extend mitbenutzen Der Speicherinhalt wird dann bei lw in Register reg2 geschrieben bei sw mit Registerinhalt von reg2 überschrieben Zur Vereinfachung trennen wir im Folgenden den Speicher der Instruktionen vom Speicher der Daten. Letzterer ist wie folgt: Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 20
Datenspeicher Speicherbaustein in dem die Daten liegen. Address, Write Data und Read Data sind 32 Bit groß. In keinem Taktzyklus wird gleichzeitig gelesen und geschrieben. Schreiben oder lesen wird über Signale an MemWrite und MemRead durchgeführt. Der Grund für ein MemRead ist, dass sicher gestellt sein muss, dass die anliegende Adresse gültig ist (mehr dazu im Kapitel Speicher). Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 21
Erweiterung des Blockschaltbilds Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 22
Eine Übung zum Abschluss Wie lässt sich das Blockschaltbild des Datenpfads erweitern, sodass auch die MIPS Instruktion j unterstützt wird? Zur Erinnerung: j 4096 # $pc = 4096<<2 + oberste vier # Bit von $pc Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 23
Control einer einfachen MIPS CPU Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 24
Ziel Bisher haben wir lediglich den Datenpfad einer einfachen MIPS CPU entworfen. Die Steuerleitungen der einzelnen Bausteine zeigen noch ins Leere. Jetzt wollen wir festlegen, wann zur Abarbeitung unserer Instruktionen (d.h. lw, sw,add, sub, and, or, slt,beq ) welche Steuerleitungen an oder aus sein sollen. Den Baustein der das macht, nennt man Control. Wir trennen die Control in zwei Teile: ALU Control: Legt für jeden Befehl die ALU Operation fest. Main Unit Control: Legt für jeden Befehl die übrigen Steuerleitungen fest. Wir verwenden auf den nächsten Folien die folgende Terminologie: Steuerleitung an: asserted Steuerleitung aus: deasserted Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 25
Control einer einfachen MIPS CPU ALU Control Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 26
Vorüberlegung: Die passenden ALU Funktionen Control Eingänge der betrachteten ALU Für Load und Store Instruktionen lw, sw brauchen wir die ALU Funktion add. Für die arithmetisch logischen Instruktionen add, sub, and, or, slt brauchen wir die entsprechende passende ALU Funktion. Für die Branch Instruktion beq brauchen wir die ALU Funktion sub. Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 27
Vorüberlegung: die Instruktionsformate (I-type) (I-type) Wenn der Wert von Bit 31 bis 26 in der gefetchten Instruktion gleich 0: arithmetisch logische Instruktion (d.h. add,sub,and,or,slt). Die Funktion ist mit dem Wert von Bit 5 bis 0 festgelegt. 35 oder 43: Load bzw. Store Instruktion (d.h. lw, sw). 4: Branch Instruktion (d.h. beq). Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 28
Eingabe ALUOp in Abhängigkeit des Instruktionstyps 5 Bit Funct Field der Instruktion ALU Control ALU Control Ausgabe Belegung der ALU Steuerleitungen, so dass die ALU die richtigen ALU Operation ausführt. Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 29
In einer Wahrheitstabelle zusammengefasst 0 0 Eingabe Ausgabe Daraus lässt sich mechanisch eine kombinatorische Schaltung generieren, die wir im Folgenden mit dem ALU Control Symbol abstrakt darstellen. ALUOp Instruction[5:0] (also das Funct Field der Instruktion) ALU Control ALU Operation Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 30
Erweiterung des Blockschaltbilds Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 31
Control einer einfachen MIPS CPU Main Unit Control Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 32
Opcode bestimmt Steuerleitungsbelegungen Eingabe: Instruction [31 26] Ausgabe Instruction RegDst ALUSrc R format (0) lw (35) sw (43) beq (4) Memto Reg Reg Write Mem Read Mem Write Branch ALU Op1 ALU Op0 Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, Computer Organization and Design, Fourth Edition, 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 33
Auch hier wieder Aus voriger Wahrheitstabelle lässt sich mechanisch eine kombinatorische Schaltung generieren, die wir im Folgenden mit dem Control Symbol abstrakt darstellen. Instruction[31 26] (also: das Opcode Field der Instruktion) Control RegDst Branch MemRead MemtoReg ALUOp MemWrite ALUSrc RegWrite Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 34
Erweiterung des Blockschaltbilds Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 35
Beispiel für eine R Typ Instruktion add $t1, $t2, $t3 Instruktion wird gefetched und PC um 4 erhöht. Die Register $t2 (Instruction [25 21]) und $t3 (Instruction [20 16]) werden aus dem Register File geladen. Die ALU führt die in dem Function Field (Instruction [5 0]) codierte Operation auf den gelesenen Register Daten aus. Das Ergebnis der ALU wird in Register $t1 (Instruction [15 11]) zurück geschrieben. Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 36
Beispiel für eine Load/Save Instruktion lw $t1, 8($t2) Instruktion wird gefetched und PC um 4 erhöht. Das Register $t2 (Instruction [25 21]) wird aus dem Register File geladen. Die ALU addiert das Register Datum und den 32 Bit Signexteded 16 Bit Immediate Wert 8 (Instruction [15 0]). Die Summe aus der ALU wird als Adresse für den Datenspeicher verwendet. Das Datum aus dem Datenspeicher wird in das Register File geschrieben. Das Register in das geschrieben wird ist $t1 (Instruction [20 16]). Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 37
Beispiel für eine Branch Instruktion beq $t1, $t2, 42 Instruktion wird gefetched und PC um 4 erhöht. Die Register $t1 (Instruction [25 21]) und $t2 (Instruction [20 16]) werden aus dem Register File geladen. Die Haupt ALU subtrahiert die ausgelesenen Register Daten voneinander. Die zusätzliche ALU addiert PC+4 auf den 32 Bit Signexteded und um 2 nach links geshifteten 16 Bit Immediate Wert 42 (Instruction [15 0]). Das Zero Ergebins der Haupt ALU entscheidet ob der PC auf PC+4 oder auf das Ergebnis der zusätzlichen ALU gesetzt wird. Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 38
Eine Übung zum Abschluss In der vorigen Übung zum Abschluss wurde das Blockschaltbild des Datenpfads so erweitert, sodass auch die MIPS Instruktion j unterstützt wird. Wie müssen Control und Alu Control modifiziert werden (wenn überhaupt), damit die MIPS Instruktion j auch von Seiten des Control unterstützt wird? Erinnerung: j addr # Springe pseudo-direkt nach addr 000010 address Opcode Bits 31 26 Adresse Bits 25 0 J Typ Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 39
Pipelining Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 40
Pipelining Instruktionszyklen Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 41
MIPS Instruktionszyklus Ein MIPS Instruktionszklus besteht aus: 1. Instruktion aus dem Speicher holen (IF: Instruction Fetch) 2. Instruktion decodieren und Operanden aus Register lesen (ID: Instruction Decode/Register File Read) 3. Ausführen der Instruktion oder Adresse berechnen (EX: Execute/Address Calculation) 4. Datenspeicherzugriff (MEM: Memory Access) 5. Resultat in Register abspeichern (WB: Write Back) Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 42
Instruktionszyklen in unserem Blockschaltbild Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 43
Instruktionszyklen generell Instruktionszyklen anderer moderner CPUs haben diese oder eine sehr ähnliche Form von Instruktionszyklen. Unterschiede sind z.b.: Instruktion decodieren und Operanden lesen sind zwei getrennte Schritte. Dies ist z.b. notwendig, wenn Instruktionen sehr komplex codiert sind (z.b. x86 Instruktionen der Länge 1 bis 17 Byte) wenn Instruktionen Operanden im Speicher anstatt Register haben (z.b. einige Instruktionen bei x86) Grundlagen der Rechnerarchitektur Prozessor 44