számítógépek felépítése 4. előadás alu megvalósítása, vezérlő egység

1

Számítógépek felépítése4. előadás

ALU megvalósítása, vezérlő egység

Dr. Istenes Zoltán

ELTE-TTK

2

4. előadás tartalma

• ALU áramköri megvalósítása– logikai áramkörök– összeadó áramkörök

• vezérlő egységek megvalósítása– huzalozott vezérlők– mikroprogramozott vezérlők

3

A központi feldolgozó egység

• feladata, kapcsolata a többi egységgel

• részei, felépítése

• működése

• megvalósítása (ALU+CU+regiszterek)

4

Az aritmetikai logikai egységműködése, megvalósítása

Arithmetical Logical Unit - ALU

5

Cél :A szükséges aritmetikai és logikai műveletek (+ - AND XOR) megvalósítása

Módszer :egyszerű „építőkövekből” összeépítve...

6

„és”

„vagy”

7

Elemi logikai kapuk

& 1 1

x y x.y0 0 00 1 01 0 01 1 1

x y x+y0 0 00 1 11 0 11 1 1

AND OR NOT

x -x0 11 0

x

y

x

yxx.y x+y

x

yx.y

x

yx+y x

-x

-x

8

Logikai kapuk

x y x NAND y0 0 10 1 11 0 11 1 0

x y x NOR y0 0 10 1 01 0 01 1 0

NAND

NOR

XOR

x

yx

y

x

y

x y x XOR y0 0 00 1 11 0 11 1 0

9

Multiplexer (2 bemenetű)

s0 z0 d01 d1 z

d0

d1

s0MUXd0

d1z

s0

10

Multiplexer (4x 2 bemenetű)

x3y3

x2y2

x1y1

x0y0

MUX

MUX

MUX

MUX

z3

z2

z1

z0

s

11

Multiplexer (4 bemenetű)

s1 s0 z0 0 d00 1 d11 0 d21 1 d3

MUXd0

d1

z

MUX

MUXd2

d3

s0 s1MUX

d0d1d2d3

s0 s1

z

12

4 bites logikai függvények (AND, XOR)

áramkör x3y3

x2y2

x1y1

x0y0

MUX

MUX

MUX

MUX

z3

z2

z1

z0

s

13

Félösszeadó (1bites)

x

ys

c

x XOR y

x.y

bemenet kimenetx y s c0 0 0 00 1 1 01 0 1 01 1 0 1

s = sum (összeg)c = carry (átvitel)

1/2+x

y

s

c

14

Teljes-összeadó (1bites)bemenet kimenetx y cin s cout0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1

cin = carry incout = carry out

1/2+x

y s

cout

1/2+cin

1+xy

cin

s

cout

15

4 bites teljes összeadó („terjedő átvitel”, ripple carry)

1+

y3 x3

s3

1+

y2 x2

s2

1+

y1 x1

s1

1+

y0 x0

s0

c0

c4

c3 c2 c1

4 bites összeadó

y3 x3 y2 x2 y1 x1 y0 x0 cin

cout s3 s2 s1 s0

16

Kivonás kettes komplemenssel

5 0101

+2 +0010

7 0111

5 0101

-2 +1110

3 0011

2 0010-2 1101 egyes

komplemens

-2 1110 kettes komplemens

összeadás

kivonás

17

4 bites összeadó/kivonó áramkör

x3x2x1x0

y3

y2

y1

y0

MUX

MUX

MUX

MUX

scout

z3z2z1z0

A

B

C

4 bitesteljes

összeadó

cin

18

4 bites 4 műveletes ALU

aritmetikaiegység(+/-)

logikaiegység

(AND/XOR)

x

y

s0s1

4x 2 bemenetűmultiplexer

z

4

4

4

4

4

4

4

19

Buszok (sínek)

• Adatsín

• Címsín

• Vezérlő sín

• külső / belső sínek (a CPU-hoz képest)

• busz-szélesség

20

„Kapuzás”, vezérlés

sín

„A”egység

„B”egység

„C”egység

RA

WB

WC

21

„sín”

Kétirányú busz

C

x1

y1

x2

y2

xn

yn

„egység”

22

A vezérlő egység

Control Unit - CU

23

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

24

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

adatsín

PCMEM

MDR

MARIRAC „kapuzás”

25

Huzalozott vezérlő egység megvalósítása

26

Számláló

2 bitesszámlálóCLK

reset q0

q1

1 11

1

1 1

1

111

1

1

1

1

1

10

0

0

0

00

0 0

CLK

q0

q1

0 000 00 0

27

Demultiplexer (1 ből 4)

bemenet kimenete s1 s0 y0 y1 y2 y30 x x 0 0 0 01 0 0 1 0 0 01 0 1 0 1 0 01 1 0 0 0 1 01 1 1 0 0 0 1

1 ből 4demultiplexer

y0

y1

y2

y3

s0 s1

e

28

utasítás végrehajtás - kapuk vezérlése

MEM

ALU

ACC TMPOP

PC

MK

vezérlő

címsín

adatsín

k0

k1 k2

k3

k4

k6

k5

k7

k8k9

1. utasítás elérés k4,k0,k1,k22. operandus elérés k3,k0,k1,k73. utasítás végrehajtás k5,k94. következő... ...

utasítástólfüggően

29

Kapuk vezérlése megfelelő sorrendben

...

clk

1. utasítás elérés k4,k0,k1,k22. operandus elérés k3,k0,k1,k73. utasítás végrehajtás k5,k94. következő... ...

a megfelelőutasítás számláló

demultiplexer

k0

k1

k2

k3

k4

k5

...

...

...

...

az utasításlépései

MK

demultiplexer

30

Mikroprogramozott vezérlő egység megvalósítása

31

Mikroprogramozott vezérlő

MAR

vezérlő jelek

következő mikro utasítás címe

mikroprogram tár

mikro utasítás

műveleti kód

...

32

Mikroprogramozott vezérlő programja (példa)1. utasítás elérés k4,k0,k1,k2

2. operandus elérés k3,k0,k1,k73. utasítás végrehajtás k5,k94. következő... ...

...1110100000 110 011101000100 110 100000010001 110 11... ...

vezérlő jelekkövetkező mikro utasítás címe

műveletikód

k0123456789

110 00 110 01110 10110 11

mikroprogram tár

mikro utasítás

memóriacímek

33

Huzalozott és mikroprogramozott vezérlők összehasonlítása

Huzalozott:• gyorsabb• egyszerűbb

Mikroprogramozott:• lassabb (ROM kiolvasás)• emuláció• kompatibilitás• speciális utasítások• pld. : IBM 370,

VAX 11, MC68000

34

Regiszterek

35

Regiszterek szerinti osztályozás

• Általános regiszter készletű

• Akkumulátoros

• Verem alapú

36

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)

37

Összefoglalás