Arquitectura de Computadores (ACom) - Autenticação · Unidade de Controlo Prof. Nuno Roma ACom...

Arquitectura de Computadores(ACom)

MEAer

Acetatos das Aulas Teoricas

Versao 4.0 - Portugues

Aula No 12:

Tıtulo: Unidade de Controlo

Sumario: Micro-operacoes sobre uma unidade de processamento; Circuitode controlo; Maquinas de estado; Controlo de sistemas pro-gramaveis; Controlo microprogramado.

2014/2015

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Unidade de Controlo

Prof. Nuno Roma ACom 2014/15 (MEAer) - DEEC-IST 1 / 42

Arquitectura de Computadores(ACom)

Aula Anterior

Micro-Operacoes

Circuito de Controlo

Maquinas de Estado

Controlo deSistemasProgramaveis

ControloMicroprogramado

Proxima Aula


Na aula anterior...

� Unidade de processamento de um processador:

◮ Banco de registos◮ Unidade Logica e Aritmetica - ULA

Arithmetic and Logic Unit - ALU

� Estrutura de uma ULA:

◮ Unidade aritmetica:

• somador• subtractor• multiplicador• divisor

◮ Unidade logica◮ Unidade de deslocamento

Road Map

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Planeamento

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� PlaneamentoSemana Teórica 1 Teórica 2 Problemas (P) / Laboratório (L)

16-fev a 20-fevCARNAVAL Apresentação da cadeira; Introdução P0: Revisões SD

23-fev a 27-fevL1: Modos de endereçamento

02-mar a 06-marOperações lógicas e aritméticas ISA do P3 P1: Assembly do P3

09-mar a 13-marL2: Instruções Aritméticas e Salto

16-mar a 20-marTécnicas de programação em Assembly Geração do código objecto. L3: Rotinas; Passagem parâmetros

23-mar a 27-marEstrutura de um processador Unidade de processamento

30-mar a 03-abrUnidade de controlo PÁSCOA PÁSCOA

06-abr a 10-abrPÁSCOA L4: IO; Interrupções

13-abr a 17-abrOrganização interna do P3: circuito de controlo Organização interna do P3: microprogramação P3: Micro-programação

20-abr a 24-abrL5: Micro-programação

27-abr a 01-maiDependências dados e de controlo; Conflitos L6: Arduino

04-mai a 08-maiSistema de memória Memórias cache: políticas de substituição L7: Pipelines

11-mai a 15-maiMemórias cache: políticas de escrita P4: Pipeline; Caches

18-mai a 22-maiMemória virtual: TLB L8: Caches

25-mai a 29-maiModos de transferência de dados DMA e Processadores IO P5: Mem. Virtual; Comunicação; IO.

Instruções Assembly; Operandos e modos de endereçamento; Processador P3

Operandos; Pilha; Instruções de acesso à memória; Codificação das instruções.

Periféricos do P3; Interrupções e contagemdotempo no P3

Tradução de linguagemde alto nível paraAssembly

P2: Interrupções; Codificação de Instruções

Controlo microprogramado; Organização interna do P3: circuito de dados

Família Intel x86; Arquitecturas de processadores em pipeline

Arquitecturas de processadores em pipeline; Dependências

Tópicos avançados de arquitectura de computadores

Memória virtual: definições, tabela de páginas hierárquica

Espaços de endereçamento: memória e entradas/saídas

Sumario

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Hoje:

� Unidade de Controlo:

◮ Micro-operacoes sobre uma unidade de pro-cessamento

◮ Circuito de controlo◮ Maquinas de estado◮ Controlo de sistemas programaveis◮ Controlo microprogramado

Bibliografia:

• Seccoes 7.1 a 7.5

Micro-Operacoes

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Separacao entre Unidade de Controlo eUnidade de Processamento

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Unidade decontrolo Unidade de

processamento

Entradas decontrolo

Operandos

Resultados

Palavra decontrolo

Bits deestado (flags)

Saídas decontrolo

Unidade de Processamento

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Bancode

registos

ULA

Palavra decontrolo

Bits deestado

Operandos

Resultado

k

m

n

n n

Banco de Registos

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Banco de 8registos

A

SelA

Escrita

SelB

SelD

D

B

n

3

3 3

n n

Estrutura Interna da Unidade Logica eAritmetica

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Unidadearitmética

Unidade dedeslocamento

Palavra decontrolo

n n

n

n

Unidadelógica

MUX0 3

Sel

n

21

A

Resultado

B

n

p q r

2

Tabela de Micro-operacoes da ULA

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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S4S3S2S1S0 Micro-operacao

00000 R← A+B soma

00001 R← A−B subtraccao

00010 R← A+B + C soma com bit transporte

00011 R← A−B − C subtraccao com transporte negado

00100 R← A− 1 decremento

00101 R← A+ 1 incremento

00110 R← A− C decremento, se C = 0

00111 R← A+ C incremento, se C = 1

01-00 R← A complemento

01-01 R← A ∧B conjuncao

01-10 R← A ∨B disjuncao

01-11 R← A⊕B disjuncao exclusiva

10000 R← shr A deslocamento logico a direita

10001 R← shl A deslocamento logico a esquerda

10010 R← shra A deslocamento aritmetico a direita

10011 R← shla A deslocamento aritmetico a esquerda

10100 R← ror A rotacao a direita

10101 R← rol A rotacao a esquerda

10110 R← rorc A rotacao a direita com transporte

10111 R← rolc A rotacao a esquerda com transporte

11- - - R← A transferencia

Exemplo: Maior Divisor Comum

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Pseudo-codigo:

Maior Divisor Comum(X, Y)1. enquanto (Y 6=0){2. se X≥Y3. entao X=X-Y4. se nao, troca X com Y5. }6. resultado em X


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Unidade de Processamento:


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Controlo?


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Controlo?

Fluxograma:

0

1

RX>=Ry

T1

Ry=0

inicio0

1

fim

0 1

T0

Rx Rx-RyRx RyRy Rx


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� A maioria dos circuitos de controlo apresenta nas saıdas umvalor que depende das entradas em instantes de tempoanteriores


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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↓Este comportamento e conseguido usando elementos dememoria


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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⇓Circuitos Sequenciais


Micro-Operacoes


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⇓Circuitos Sequenciais

� Sistemas complexos, como computadores, PDAs etelemoveis sao tambem circuitos sequenciais.

Circuito Sequencial Sıncrono

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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combinatório

Realimentação

primárias

Circuito

primáriasEntradas Saídas

Reg

isto

s

CLK


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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combinatório

Realimentação

primárias

Circuito


Reg

isto

s

CLK

� A mudanca de estado ocorre quando existe uma transicao dosinal de relogio (CLK);


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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combinatório

Realimentação

primárias

Circuito


Reg

isto

s

CLK


� O circuito combinatorio define o comportamento pretendido(transicao entre estados);


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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combinatório

Realimentação

primárias

Circuito


Reg

isto

s

CLK


� O circuito combinatorio define o comportamento pretendido(transicao entre estados);

� Os valores das saıdas realimentadas no circuito apenas saoassumidos como estado na altura em que o relogio muda denıvel.


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Um circuito sequencial sıncrono corresponde a uma maquinade estados definida pelos seguintes componentes:


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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◮ As possıveis combinacoes de entrada que controlam amaquina de estados;


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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◮ As possıveis combinacoes de saıda que sao geradas pelamaquina de estados;


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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◮ O conjunto de entradas da maquina;


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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◮ O conjunto de entradas da maquina;◮ A funcao de transicao de estados - determina de que modo

a maquina evolui entre estados, de acordo com oestado presente e a combinacao presente nas entradas;


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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◮ A funcao de saıda - determina qual a saıda gerada pelamaquina para um dado estado e uma dada combinacao deentradas;


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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◮ A funcao de saıda - determina qual a saıda gerada pelamaquina para um dado estado e uma dada combinacao deentradas;

◮ O estado no qual a maquina de estados deve iniciar o seufuncionamento.


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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combinatório

Realimentação

primárias

Circuito


Reg

isto

s

CLK

� Na pratica...

◮ Valor dos elementos de memoria - define o estado damaquina

◮ Circuito combinatorio - define a funcao de transicaoentre estados e a funcao de saıda


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Unidade de Processamento:


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Diagrama temporal:

Estado

Início

Fim

Rx

Ry

LDx

LDy

xMy

Zy

Clk

T0 T1 T1 T1 T1 T1 T1

54

36

18 0

36

3654

36 18 18

18

18

18

0 0

18

T0 T0

18

0

Maquinas de Estado

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Maquinas de Mealy vs Maquinas de Moore

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Maquinas de Mealy vs Maquinas de Moore:

◮ Distinguem-se apenas no modo como as saıdas saogeradas:

Re

gis

tos

Re

gis

tos

Entradas Saídas Entradas

Saídas

Lógicade geraçãode saídas

e dopróximoestado

Lógicado próximo

estado

de geração

de saídas

Lógica

CLK CLK

Máquina de MooreMáquina de Mealy


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



Proxima Aula


Re

gis

tos

Re

gis

tos

Entradas Saídas Entradas

Saídas

Lógicade geraçãode saídas

e dopróximoestado

Lógicado próximo

estado

de geração

de saídas

Lógica

CLK CLK

Máquina de MooreMáquina de Mealy

Maquina de Mealy - o valor das saıdas e funcao dos valoresdas variaveis de estado (memoria) e dos valores das entradas

Maquina de Moore - o valor das saıdas e unicamente funcaodos valores das variaveis de estado (memoria)


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Exemplo: calculo da paridade (sımbolo = 3 bits)


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Exemplo: calculo da paridade (sımbolo = 3 bits)

Controlo de Sistemas Programaveis

Micro-Operacoes


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Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Em geral, o controlo do fluxo de execucao aplicado em sistemasprogramaveis baseia-se na aplicacao de Maquinas de MoorePorque?


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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◮ Em geral, uma dada instrucao permite realizar apenas uma dasseguintes tarefas:

• Leitura de uma variavel de entrada• Escrita de uma variavel de saıda• Avaliacao do proximo estado/saıda


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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↓Nao e possıvel, numa unica instrucao, fazer depender o valorde uma saıda com o valor de uma entrada e estado do sistemanesse mesmo instante


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



Proxima Aula






⇓Maquina de Moore


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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⇓Maquina de Moore

Consequencia: programas maiores (mais instrucoes) do queseriam caso fosse possıvel adoptar Maquinas de Mealy.

Controlo Microprogramado

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Pseudo-codigo:

Maior Divisor Comum(X, Y)1. enquanto (Y 6=0){2. se X≥Y3. entao X=X-Y4. se nao, troca X com Y5. }6. resultado em X


Micro-Operacoes


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Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Problema: circuito dedicado!

Sıntese de Circuitos de Controlo

Micro-Operacoes


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� Problema:

◮ A sıntese de controladores complexos, com muitosestados e variaveis de entrada, torna-se muitocomplicada e pouco eficiente

↓◮ Esforco de desenvolvimento/implementacao

insustentavel

� Alternativa:

◮ Aplicacao de metodologias de microprogramacao,utilizando unidades de processamento genericas enao dedicadas a aplicacao


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Bancode

registos

ULA

Palavra decontrolo

Bits deestado

Operandos

Resultado

k

m

n

n n


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Bancode

registos

ULA

Palavra decontrolo

Bits deestado

Operandos

Resultado

k

m

n

n nControlo ???

Unidade de Controlo Microprogramada

Micro-Operacoes


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� Caracterısticas de uma unidade de controlomicroprogramada:

◮ As saıdas dependem apenas do estado actual→ Maquina de Moore

◮ Em cada estado apenas e testada uma variavel deentrada

◮ Como resultado de cada teste numa variavel de entrada,o controlador podera saltar para um estado arbitrario (seo teste for verdadeiro) ou transitar para oestado seguinte (se o teste for falso)


Micro-Operacoes


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Conta

dor

Multip

lexa

dor

...

Teste complementado (CT)1

Entradas

Saídas (PO)

Ld/incCLK

combinatória

Lógica

Próximo estado (NS)

Variável a testar (TV)


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



Proxima Aula


Co

nta

do

r

Multip

lexa

do

r

...


Entradas

Saídas (PO)

Ld/incCLK

combinatória

Lógica




Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



Proxima Aula


Co

nta

do

r

Multip

lexa

do

r

...


Entradas

Saídas (PO)

Ld/incCLK

combinatória

Lógica



O bloco combinatorio pode ser realizado utilizando uma ROMcom um numero de linhas igual ao numero de estados e comtantas saıdas quantas as necessarias para gerar as variaveis desaıda do bloco combinatorio.


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Co

nta

do

r

Multip

lexa

do

r

...


Entradas

Saídas (PO)

Ld/incCLK

combinatória

Lógica



Conta

dor

Multip

lexador

...

Teste complementado (CT)


1

Entradas

Saídas (PO)


Ld/incCLK

ROM

O bloco combinatorio pode ser realizado utilizando uma ROMcom um numero de linhas igual ao numero de estados e comtantas saıdas quantas as necessarias para gerar as variaveis desaıda do bloco combinatorio.


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



Proxima Aula


Co

nta

do

r

Mu

ltip

lexa

do

r

...



1

Entradas

Saídas (PO)


Ld/incCLK

ROM


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



Proxima Aula


Co

nta

do

r

Mu

ltip

lexa

do

r

...



1

Entradas

Saídas (PO)


Ld/incCLK

ROM

Cada palavra da ROM deveraser dividida em quatro partes:

NS PO TV CT

Next State (NS) - especifica o proximo estado, para onde ocontrolador devera saltar se o teste efectuado tiver resultado positivo

Primary Output (PO) - valores pretendidos para as variaveis de saıdaTest Variable (TV) - indica a variavel que devera ser testadaComplement Test (CT) - indica se o salto devera ocorrer quando a

variavel de teste esta a 1 ou a 0


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Exemplo:


Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



Proxima Aula


Co

nta

do

r

Mu

ltip

lexa

do

r

...



1

Entradas

Saídas (PO)


Ld/incCLK

ROM

Cada palavra da ROM deveraser dividida em quatro partes:

NS PO TV CT

� Ao conjunto de campos que especificam o funcionamento docontrolador chama-se microinstrucao

� Ao conjunto de microinstrucoes chama-se microprograma

Proxima Aula

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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� Controlo microprogramado (continuacao)� Estrutura interna de um processador� P3: Unidade de processamento

Nota de Agradecimento

Micro-Operacoes


Maquinas de Estado



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Agradecimento

Algumas paginas desta apresentacao foram extraidas de:

[1] Jose Carlos Monteiro, “Arquitectura de Computadores”, InstitutoSuperior Tecnico (IST), Universidade Tecnica de Lisboa, Portugal,2010.

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