Racunarstvo i informatika III

1
Racunarstvo i informatika III

• Lekcija 10 Upravljacka jedinica

2
Mikrooperacije

• Kompjuter izvršava program
• Ciklus DONOŠENJA / IZVRŠAVANJA (Fetch/Execute)
• Ili prošireno DONOŠENJE INDIREKCIJA
  IZVRŠAVANJE - PREKID
• Svaki ciklus sastoji se od niza koraka
  (mikrooperacija)
• Svaki korak radi vrlo malo
• menja sadržaja nekog registra
• To su elementarne operacije CPU

MIKROOPERACIJA elementarna
operacija CPU koja se obavlja u jednom taktu
3
Elementi od kojih se sastoji izvršavanje programa
4
Donošenje ucestvuju 4 upravljacka registra

• Adresni registar memorije - Memory Address
  Register (MAR)
• Povezan sa adresnom magistralom
• Zadaje adresu za citanje ili upisivanje operanda
• Prihvatni registar memorije - Memory Buffer
  Register (MBR)
• Povezan sa magistralom podataka
• Cuva podatak za upis ili poslednji procitani
  podatak
• Brojac naredbi - Program Counter (PC)
• Cuva adresu sledece instrukcije
• Registar instrukcija - Instruction Register (IR)
• Cuva tekucu instrukciju

5
Sekvenca donošenja

• Adresa sledece instrukcije iz PC se šalje u MAR
• Adresa iz MAR se šalje na adresnu magistralu
• Upravljacka jedinica šalje READ signal
• Rezultat (podatak iz memorije) šalje se na
  magistralu podataka
• Podatak se sa magistrale podataka upisuje se u
  MBR
• PC se uvecava za 1 (istovremeno sa donošenjem
  podatka iz memorije)
• Podatak (instrukcija) se premešta iz MBR u IR
• MBR je sada slobodan za sledeci podatak koji ce
  biti donet iz memorije

• t1 MAR lt- (PC)
• t2 MBR lt- ((MAR))
• PC lt- (PC) 1
• t3 IR lt- (MBR)
• (tx vreme jednog clock ciklusa)
• ili
• t1 MAR lt- (PC)
• t2 MBR lt- ((MAR))
• t3 PC lt- (PC) 1
• IR lt- (MBR)

6
Pravila za grupisanje mikrooperacija

• Mora se poštovati redosled mikrooperacija
• MAR lt- (PC) mora da prethodi MBR lt- ((MAR))
• Moraju se izbegavati konflikti
• Ne može se istovremeno vršiti read write istog
  registra
• MBR lt- ((MAR)) IR lt- (MBR) ne mogu se
  izvršavati u istom ciklusu
• Takode PC lt- (PC) 1 ukljucuje sabiranje
• koristi ALU
• Može zahtevati dodatne mikrooperacije

7
Ciklus indirekcije

• MAR lt- (IRA) - IRA polje adrese u IR
• MBR lt- ((MAR))
• IRA lt- (MBR)
• MBR sadrži adresu
• IR sada u adresnom polju ima direktnu adresu
  operanda

8
Ciklus prekida

• t1 MBR lt-(PC)
• t2 MAR lt- adresa na kojoj treba sacuvati adresu
  povratka
• PC lt- adresa ISR - rutine za obradu prekida
• t3 (MAR) lt- (MBR)
• Ovo je minimum
• Možda ce biti potrebne dodatne mikroop za
  dobijanje adrese ISR
• Napomena. Cuvanje konteksta prekinutog programa
  obavlja interrupt handler routine, ne vrši se
  pomocu mikrooperacija

9
Ciklus izvršavanja - Razlicit za svaki
instrukciju

• ADD R1,X sabira sadržaje lokacije X i registra
  R1 i cuva rezultat u R1
• t1 MAR lt- (IRA)
• t2 MBR lt- ((MAR))
• t3 R1 lt- R1 (MBR)
• Napomena Ove mikroperacije ne mogu se preklapati

• ISZ X - increment and skip if zero
• t1 MAR lt- (IRA)
• t2 MBR lt- ((MAR))
• t3 MBR lt- (MBR) 1
• t4 (MAR) lt- (MBR)
• if (MBR) 0 then PC lt- (PC) 1
• Napomena if je jedna mikrooperacija

10
Instrukcijski ciklus

• Svaka faza dekomponuje se u sekvencu elementarnih
  mikrooperacija
• Na primer ciklus donošenja, indirekcije i prekida
• Ciklus izvršavanja
• Po jedna sekvenca mikrooperacija za svaki opcod
• Potrebno je povezati sekvence u niz
• Pretpostavimo da imamo 2-bitni registar
• Instruction cycle code (ICC) ukazuje svojim
  sadržajem u kom se delu instrukcijskog ciklusa
  procesor nalazi
• 00 Donošenje - Fetch
• 01 Indirekcija - Indirect
• 10 Izvršavanje - Execute
• 11 Prekid - Interrupt

11
Dijagram toka instrukcijskog ciklusa
12
Funkcionalni zahtevi za upravljanje procesorom

• Definišu osnovne komponente procesora
• Opisuju mikrooperacije koje procesor izvršava
• Odreduju funkcije koje mora da realizuje
  upravljacka jedinica

13
Osnovne komponente procesora

• ALU
• Registri
• Interne putanje podataka
• Eksterne putanje podataka
• Upravljacka jedinica

14
Tipovi mikrooperacija (microop)

• Prenos podataka izmedu registara
• Prenos podataka iz registara ka eksternim
  lokacijama
• Prenos podataka sa eksternih lokacija u registre
• Izvršavanje aritmetickih ili logickih operacija

15
Funkcije upravljacke jedinice

• Sekvenciranje
• Dovodi do toga da CPU prolazi kroz niz
  mikrooperacija u redosledu koji zavisi od
  programa koji se izvršava
• Izvršavanje
• Pokrece obavljanje svih mikrooperacija
• Ovo se obavlja korišcenjem upravljackih signala

16
Ulazni upravljacki signali

• Generator takta - Clock
• Jedna microop (ili skup istovremenih) za svaki
  impuls generatora takta - clock cycle
• Registar instrukcija
• Opcod tekuce instrukcije
• definiše microop se obavljaju tokom faze
  izvršavanja
• Flegovi
• Definišu stanje CPU
• Postavlja ih prethodna operacija
• Upravljacki signali sa upravljacke magistrale
• Prekidi - Interrupts
• Potvrde

17
Model upravljcke jedinice
18
Izlazni upravljacki signali

• Unutar CPU
• Izazivaju premeštanje podataka
• Aktiviraju specificne funkcije ALU
• Preko upravljacke magistrale
• Ka memoriji
• Ka U/I modulima

19
Primer upravljackih signala - ciklus donošenja

• MAR lt- (PC)
• Upravljacka jedinica aktivira signal koji otvara
  gejtove izmedu PC i MAR
• MBR lt- ((MAR))
• Otvara gejtove izmedu MAR i adresne magistale
• Memory read upravljacki signal
• Otvara gejtove izmedu magistrale podataka i MBR

20
Izvršavanje instrukcije ADD mikroprogramska
implementacija
A
C
G
D
MAR
AC
MBR

F
E
Memorija
B
Prenesi sadržaj mem. lokacije X u MBR F,G
Prenesi je u ALU A
Provedi kroz ALU (bez sabiranja) D
Prenesi rezultat u AC B
Prenesi sadržaj mem. lokacije Y u MBR F,G
Pošalji sadržaje MBR i AC u ALU i A, C, E
Upiši rezultat u AC B
21
Izvršavanje instrukcije ADD hardverska
implementacija
A
C
D
MBR

AC
F
E
Memorija
B
t0 Pošalji kontrolni signal read memoriji sa
adresom X i otvori gejt F da je upamtiš u MBR
t1 Pošalji kontrolne signale do D da preneseš
podatak kroz ALU, i do B da ga upamtiš u AC
t2 Pošalji kontrolni signal read memoriji sa
adresom Y i otvori gejt F da je upamtiš u MBR
t3 Pošalji kontrolne signale do A i C. Takode
pošalji kontrolni signal do E za sabiranje i do
B za memorisanje rezultata.
22
Putanje podataka i upravljacki signali