Szmtgpek felptse 4 elads ALU megvalstsa vezrl egysg

Számítógépek felépítése 4. előadás ALU megvalósítása, vezérlő egység Dr. Istenes Zoltán ELTE-TTK 1

4. előadás tartalma • ALU áramköri megvalósítása – logikai áramkörök – összeadó áramkörök • vezérlő egységek megvalósítása – huzalozott vezérlők – mikroprogramozott vezérlők 2

A központi feldolgozó egység • • feladata, kapcsolata a többi egységgel részei, felépítése működése megvalósítása (ALU+CU+regiszterek) 3

Az aritmetikai logikai egység működése, megvalósítása Arithmetical Logical Unit - ALU 4

Cél : A szükséges aritmetikai és logikai műveletek (+ - AND XOR) megvalósítása Módszer : egyszerű „építőkövekből” összeépítve. . . 5

A B A „és” B A „vagy” B A kapcsolók mozgatása ? A B (A B) C D 6

Elemi logikai kapuk AND x 0 0 1 1 y 0 1 x y OR x. y 0 0 0 1 x. y & x. y x 0 0 1 1 y 0 1 x y NOT x+y 1 x 0 1 x+y 0 1 1 1 x+y -x 1 0 x x -x 1 -x 7

Logikai kapuk NAND x 0 0 1 1 x y y 0 1 XOR x NAND y 1 x 1 0 0 1 1 x y NOR y 0 1 x NOR y 1 0 0 0 x 0 0 1 1 y 0 1 x XOR y 0 1 1 0 x y 8

Multiplexer (2 bemenetű) s 0 0 1 z d 0 d 1 d 0 z d 1 d 0 d 1 MUX s 0 z s 0 9

Multiplexer (4 x 2 bemenetű) s x 3 y 3 MUX z 3 x 2 y 2 MUX z 2 x 1 y 1 MUX z 1 x 0 y 0 MUX z 0 10

Multiplexer (4 bemenetű) s 1 0 0 1 1 s 0 0 1 d 0 d 1 d 2 d 3 z d 0 d 1 d 2 d 3 MUX s 0 s 1 d 0 d 1 MUX d 2 d 3 z z MUX s 0 s 1 11

4 bites logikai függvények (AND, XOR) áramkör x 3 y 3 MUX z 3 x 2 y 2 MUX z 2 x 1 y 1 MUX z 1 x 0 y 0 MUX z 0 s 12

2 bit összeadása Reprezentáció… 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=… 13

Félösszeadó (1 bites) bemenet x y 0 0 0 1 1 kimenet s c 0 0 1 s = sum (összeg) c = carry (átvitel) x XOR y x y 1/2+ s c 14

2 több-bites szám összeadása 1000 +0110 1100 1011 +0110 10001 15

Teljes-összeadó (1 bites) bemenet x y cin 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 kimenet x s cout y 0 0 1 0 cin 1 0 0 1 0 1 1 1 cin = carry in cout = carry out 1/2+ s cout x y cin 1+ s cout 16

4 bites teljes összeadó („terjedő átvitel”, ripple carry) y 3 x 3 1+ c 4 y 2 x 2 c 3 1+ y 1 x 1 c 2 1+ y 0 x 0 c 1 c 0 1+ s 3 s 2 s 1 s 0 y 3 x 3 y 2 x 2 y 1 x 1 y 0 x 0 cin 4 bites összeadó cout s 3 s 2 s 1 s 0 17

Kivonás kettes komplemenssel 5 0101 +2 +0010 7 0111 2 0010 -2 1101 egyes komplemens -2 1110 kettes komplemens összeadás 5 0101 -2 +1110 3 1 0011 kivonás 18

4 bites összeadó/kivonó áramkör x 3 x 2 x 1 x 0 y 3 MUX y 2 MUX A 4 bites teljes összeadó C z 3 z 2 z 1 z 0 B y 1 MUX y 0 MUX s cin cout 19

4 bites 4 műveletes ALU 4 x 4 y aritmetikai egység (+/-) 4 4 x 2 bemenetű multiplexer 4 logikai egység (AND/XOR) 4 4 4 s 0 s 1 20 z

Buszok (sínek) • Adatsín • Címsín • Vezérlő sín • külső / belső sínek (a CPU-hoz képest) • busz-szélesség 21

„Kapuzás”, vezérlés, 3 állapotú kimenet „A” egység „B” egység „C” egység RA WB WC sín 23

Kétirányú busz x 1 „egység” x 2 xn y 1 y 2 yn C „sín” 24

A vezérlő egység Control Unit - CU 25

A vezérlő egység feladata, működése A vezérlő feladata : az adott utasítás alapján a szükséges elemi műveleteket kiváltó vezérlőjelek megfelelő sorrendben való előállítása, illetve a szükséges címek képzése. Vezérlő típusok : • huzalozott vezérlők • mikroprogramozott vezérlők 26

Egy töltő utasítás elemi lépései (példa) LDA X azaz (X) -> AC : • (PC) -> adatsín, adatsín -> címsín, címsín -> MAR • címdekódolás, mem(MAR) -> MDR • (MDR) -> adatsín, adatsín -> IR • IR(op. kód) -> dekódolás • IR(címrész) -> címsín, címsín -> MAR • címdekódolás, mem(MAR) -> MDR • (MDR) -> adatsín, adatsín -> AC címsín MAR MEM AC PC IR „kapuzás” MDR adatsín 27

Huzalozott vezérlő egység megvalósítása 28

Számláló reset CLK q 0 q 1 2 bites számláló q 1 0 0 1 1 q 0 0 1 0 1 CLK 1 0 1 0 29 1

Demultiplexer (1 ből 4) bemenet e s 1 s 0 0 x x 1 0 0 1 1 1 kimenet y 0 y 1 y 2 0 0 0 1 0 0 0 y 3 0 0 1 e y 0 y 1 y 2 y 3 1 ből 4 demultiplexer s 0 s 1 30

utasítás végrehajtás - kapuk vezérlése 1. 2. 3. 4. utasítás elérés operandus elérés utasítás végrehajtás következő. . . k 0 k 6 ALU MEM k 1 k 4, k 0, k 1, k 2 k 3, k 0, k 1, k 7 k 5, k 9. . . címsín vezérlő k 8 k 9 k 5 ACC utasítástól függően k 4 k 3 PC MK OP TMP k 7 k 2 adatsín 31

Kapuk vezérlése megfelelő sorrendben 1. 2. 3. 4. demultiplexer clk MK . . . utasítás elérés operandus elérés utasítás végrehajtás következő. . . az utasítás lépései. . . a megfelelő utasítás számláló demultiplexer k 4, k 0, k 1, k 2 k 3, k 0, k 1, k 7 k 5, k 9. . . k 0 k 1. . . k 2 k 3 k 4 k 5 32. . .

Mikroprogramozott vezérlő egység megvalósítása 33

Mikroprogramozott vezérlő műveleti kód MAR mikro program tár mikro utasítás. . . vezérlő jelek következő mikro utasítás címe 34

Mikroprogramozott vezérlő programja 1. 2. 3. 4. utasítás elérés operandus elérés utasítás végrehajtás következő. . . műveleti kód 110 00 110 01 110 10 11 memória címek k 4, k 0, k 1, k 2 k 3, k 0, k 1, k 7 k 5, k 9. . . 1110100000 110 01 110100 110 10 000001 110 11. . . k 0123456789 vezérlő jelek (példa) mikro program tár mikro utasítás következő 35 mikro utasítás címe

Huzalozott és mikroprogramozott vezérlők összehasonlítása Huzalozott: • gyorsabb • Egyszerűbb ? Mikroprogramozott: • lassabb (ROM kiolvasás) • emuláció • kompatibilitás • speciális utasítások • pld. : IBM 370, VAX 11, MC 68000 36

Regiszterek 37

Regiszterek szerinti osztályozás • Általános regiszter készletű • Akkumulátoros • Verem alapú 38

Regiszterek • Általános célú regiszterek • Dedikált (speciális célú) regiszterek – státusz regiszter (Status Register SR / Program Status Word PSW) – utasítás regiszter (Instruction Register IR) – utasítás számláló (Program Counter PC) – verem mutató (Stack Pointer SP) 39

Összefoglalás 40