Richiami sull’architettura del
processore MIPS a 32 bit
Lucidi fatti in collaborazione con dell’Ing. Valeria Cardellini
Caratteristiche principali dell’architettura
del processore MIPS
• E’ un’architettura RISC (Reduced Instruction Set
Computer)
– Esegue soltanto istruzioni con un ciclo base ridotto, cioè
costituito da poche attività elementari, con l’obiettivo di
migliorare le prestazioni fornite dalle architetture CICS
• le istruzioni più comuni vengono eseguite nel modo più veloce
possibile
• si riduce la flessibilità di indirizzamento della memoria (p.e. non si
prevedono accessi in memoria di tipo indiretto)
• Architettura di tipo registro-registro (load/store)
– Gli operandi dell’ALU possono provenire solo dai registri di uso
generale interni al processore e non possono provenire
direttamente dalla memoria (cache)
• operazioni di load: caricamento dei dati dalla memoria ai registri
del processore
• operazioni di store: memorizzazione dei dati contenuti nei registri
del processore in memoria
1
Richiami riguardanti …
• Sottoinsieme di istruzioni
sufficiente però a far vedere l’architettura del processore
• Esecuzione delle istruzioni
cicli istruzioni semplici
• Struttura del processore
tre possibili soluzioni, SCA-SCO: uniciclo, multiciclo, pipeline
2
Insieme di istruzioni semplificato del MIPS
• Consideriamo un’implementazione semplificata del
processore MIPS
– In particolare, no istruzioni di I/O
• Tre classi di istruzioni
– Istruzioni logico-aritmetiche
– Istruzioni di trasferimento da/verso la memoria (load/store)
– Istruzioni di salto (condizionato e incondizionato) per il
controllo del flusso di programma
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Esempi di istruzioni
• Istruzioni logico-aritmetiche (tra registri)
– add $s0, $s0, $s1
– and $s1, $s2, $s3
# $s0 = $s0 + $s1
# $s1 = $s2 && $s3
• Istruzioni logico-aritmetiche (con immediato)
– addi $t0, $t0, 1
# $t0 = $t0 + 1 (non la implementeremo)
• Istruzioni di trasferimento dati (da/verso la memoria)
– lw $s1, 8($s2)
– sw $s1, 8($s2)
# $s1 = Mem[$s2+8]
# Mem[$s2+8] = $s1
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Esempi di istruzioni (2)
• Istruzioni di salto condizionato
– beq $s0, $s1, L1
– bne $s0, $s1, L1
# salta all’indirizzo L1
se ($s0 == $s1)
# salta all’indirizzo L1
se ($s0 != $s1)
• Istruzioni di salto incondizionato
– j L1
– jr $s1
# salta a L1
# salta all’indirizzo memorizzato in $s1
( non la implementeremo)
– jal L1
# salta a L1 e salva l’indirizzo
della prossima istruzione in $ra
( dove $ra = $31, vedere lucido successivo)
( non la implementeremo)
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Registri del processore MIPS a 32 bit
• 32 registri di uso generale
– Per convenzione si usano nomi simbolici preceduti da $
• $s0, $s1, …, $s7 (detti registri saved) per contenere variabili
• $t0, $t1, …, $t9 (detti registri temporanei) per contenere variabili
temporanee
– I registri possono anche essere indicati solo dal loro numero
preceduto da $: $0, …, $31
– dei 32 registri alcuni sono special-purpose, ossia dedicati per
l’esecuzione di alcune istruzioni
• Es.: $ra (= $31) è il registro di ritorno
• 32 registri in virgola mobile (che non vedremo negli esempi)
– $f0, …, $f31
6
Formato delle istruzioni MIPS
• Tutte le istruzioni MIPS hanno la stessa lunghezza
(32 bit)
• Le istruzioni MIPS che vedremo sono di 3 formati
– Formato R (registro)
• Istruzioni logico-aritmetiche (con operandi solo nei registri)
– Formato I (immediato/indirizzo)
• Istruzioni con operandi immediati (non le implementeremo)
• Istruzioni di accesso in memoria (load/store)
• Istruzioni di salto condizionato
– Formato J (jump)
• Istruzioni di salto incondizionato
• I diversi formati sono riconosciuti tramite il valore dei
6 bit del primo campo, detto codice operativo
(opcode), che indica anche come trattare i rimanenti
26 bit dell’istruzione
7
Formato delle istruzioni MIPS (2)
31
Formato R
26
op
31
Formato I
6 bit
rs
26
5 bit
16
rt
21
5 bit
op
rs
rt
6 bit
5 bit
5 bit
31
Formato J
21
16
11
6
rd
shamt
5 bit
5 bit
6 bit
funct
6 bit
0
indirizzo/immediato
16 bit
26
op
0
0
indirizzo di destinazione
26 bit
• I campi delle istruzioni
– op (opcode): identifica il formato di istruzione
– rs, rt, rd:
–
–
–
–
• Caso R: registri sorgente (rs e rt) e registro destinazione (rd)
• Caso load: registro sorgente (rs) e registro destinazione (rt)
• Caso altre I: registri sorgente (rs e rt)
shamt (shift amount): necessario per le operazioni di scorrimento
funct: indica la variante specifica dell’operazione nel campo op
indirizzo/immediato: offset dell’indirizzo o valore immediato
indirizzo di destinazione: una parte dell’indirizzo di destinazione
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Modalità di indirizzamento
• Le modalità di indirizzamento indicano i diversi modi
con i quali fare riferimento agli operandi nelle istruzioni
• MIPS ha solo 5 modalità di indirizzamento:
–
–
–
–
–
tramite registro
immediato
tramite base o spiazzamento
relativo al Program Counter
pseudo-diretto
• Una singola istruzione può usare più modalità di
indirizzamento
– es.: addi $t0, $t0, 4, immediato e tramite registro
Istruzione che non implementeremo,
9
Modalità di indirizzamento (2)
• Indirizzamento tramite registro
– L’operando è il contenuto di un registro del processore
– Esempio: add $s0, $s1, $s2
(formato tipo R)
• Indirizzamento immediato (che non implementeremo)
– Uno degli operandi è una costante, il cui valore è specificato
nell’istruzione
– Esempio: addi $s0, $s1, 1
(formato tipo I)
• Indirizzamento con base o spiazzamento
– L’operando è in una locazione di memoria, il cui indirizzo si
ottiene sommando il contenuto di un registro base ad un
valore costante (offset o spiazzamento) specificato
nell’istruzione
– Esempio: lw $t1, 4($s0)
(formato tipo I)
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Modalità di indirizzamento (3)
• Indirizzamento relativo al Program Counter
– L’operando è in una locazione di memoria, il cui indirizzo si ottiene
sommando il contenuto del Program Counter (PC) ad un valore
costante (offset o spiazzamento) specificato nell’istruzione
– Esempio: beq $s0, $s1, L1 (formato tipo I)
» Indirizzo= PC+4+L1
• Indirizzamento pseudo-diretto
– Una parte dell’indirizzo è presente come valore costante (offset)
nell’istruzione, ma deve essere completato
– L’indirizzo di destinazione del salto si ottiene traslando a sinistra di
2 bit i 26 bit di offset specificati nell’istruzione e concatenando i 28
bit così ottenuti con i 4 bit più significativi del PC
– Esempio: j L2
(formato tipo J)
» Indirizzo = 4 bit più sign.di (PC+4)*L2*00
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Il processore (1)
Distinguiamo unità di elaborazione (SCA) e unità di
controllo (SCO)
• Unità di elaborazione dati
– Hardware per compiere le operazioni necessarie all’esecuzione
delle istruzioni
• Unità di controllo
– Riceve dei segnali di ingresso e genera in uscita segnali per la
lettura/scrittura degli elementi di memoria, segnali di selezione
per i multiplexer, segnali per il controllo della ALU
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Il processore (2)
• Implementazione dell’unità di elaborazione a ciclo
singolo
– tutte le istruzioni vengono eseguite in un solo ciclo di clock, la cui
durata è determinata dal percorso critico
• Implementazione dell’unità di elaborazione a ciclo
multiplo (daremo solo cenni perchè simile al PD32)
– l’esecuzione di un’istruzione richiede più cicli di clock
• Implementazione dell’unità di elaborazione a pipeline
– l’esecuzione di un’istruzione richiede più cicli di clock
– nel SCA ci sono tante istruzioni per quanti sono gli stadi della
pipeline
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I cinque passi delle istruzioni
• Ogni istruzione può al più essere eseguita in cinque
passi (i primi tre vengono sempre eseguiti):
– prelievo dell’istruzione (Instruction fetch: IF)
– decodifica dell’istruzione/prelievo dei dati dai registri
(Instruction decode: ID)
– Esecuzione e/o calcolo dell’indirizzo di memoria (Execute:
EX)
– accesso alla memoria in lettura o scrittura (Memory access:
MEM)
– scrittura del risultato nel registro destinazione (Write-back:
WB)
IF
Instruction Fetch
ID
Instruction Decode
EX
EXecute
MEM
MEMory access
WB
Write-Back
14
Esecuzione delle istruzioni logico-aritmetiche
•
•
Esempio: op $x, $y, $z
Un’istruzione logico-aritmetica viene eseguita in 4
passi
1. Prelievo dell’istruzione dalla memoria istruzioni e incremento
del PC
2. Lettura dei due registri sorgente ($y e $z) dal banco dei
registri
3. Esecuzione dell’operazione (op) da parte dell’ALU sui valori
letti dal banco dei registri
4. Scrittura del risultato dell’ALU nel registro destinazione ($x)
del banco dei registri
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Esecuzione delle istruzioni di load
•
•
Esempio: lw $x, offset($y)
Un’istruzione di load viene eseguita in 5 passi
1. Prelievo dell’istruzione dalla memoria istruzioni e incremento
del PC
2. Lettura del registro base ($y) dal banco dei registri
3. Esecuzione dell’operazione (somma) da parte dell’ALU per
calcolare l’indirizzo di memoria ($y + offset), notare che i
registri sono a 32 bit mentre l’offset è di 16 bit (estensione
del segno)
4. Lettura del dato dalla memoria dati (Mem[$y + offset])
utilizzando come indirizzo il risultato della ALU
5. Scrittura del dato proveniente dalla memoria nel registro
destinazione ($x) del banco dei registri
16
Esecuzione delle istruzioni di store
•
•
Esempio: sw $x, offset($y)
Un’istruzione di store viene eseguita in 4 passi
1. Prelievo dell’istruzione dalla memoria istruzioni e incremento
del PC
2. Lettura del registro base ($y) e del valore da memorizzare in
memoria ($x) dal banco dei registri
3. Esecuzione dell’operazione (somma) da parte dell’ALU per
calcolare l’indirizzo di memoria ($y + offset), notare che i
registri sono a 32 bit mentre l’offset è di 16 bit (estensione
del segno)
4. Scrittura del dato proveniente dal banco dei registri ($x) nella
memoria dati (Mem[$y + offset]) utilizzando come indirizzo il
risultato della ALU
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Esecuzione delle istruzioni di salto condizionato
•
•
Esempio: beq $x, $y, offset
Un’istruzione di salto condizionato viene eseguita in 4
passi
1. Prelievo dell’istruzione dalla memoria istruzioni e incremento
del PC
2. Lettura dei due registri sorgente ($x e $y) dal banco dei
registri
3. Esecuzione dell’operazione (sottrazione) da parte dell’ALU
per confrontare i valori letti dal banco dei registri ($x - $y) e
calcolo dell’indirizzo di destinazione del salto
4. L’uscita Zero della ALU viene utilizzata per decidere quale
valore deve essere memorizzato nel PC: (PC+4) oppure
(PC+4+offset), notare che il registro PC è a 32 bit mentre
l’offset è di 16 bit (estensione del segno)
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Esecuzione delle istruzioni
• Per ogni tipo di istruzione, i primi due passi da
eseguire sono uguali
– Prelievo dell’istruzione dalla memoria istruzioni e incremento
del PC
– Lettura di uno o due registri dal banco dei registri,
selezionando i registri a cui accedere tramite i campi
dell’istruzione
• Le azioni successive dipendono dal tipo di istruzione
(codice operativo), sebbene tutte le istruzioni utilizzino
l’ALU dopo il secondo passo
– Le istruzioni logico-aritmetiche per eseguire l’operazione
– Le istruzioni di load e store per calcolare l’indirizzo di memoria
– Le istruzioni di salto condizionato per effettuare il confronto
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Esecuzione delle istruzioni (2)
• Dopo aver utilizzato l’ALU, le azioni richieste per
completare le varie istruzioni si differenziano
ulteriormente
– Le istruzioni logico-aritmetiche devono scrivere il risultato della
ALU nel registro destinazione
– Le istruzioni di load richiedono l’accesso in lettura alla
memoria dati ed eseguono il caricamento del dato letto nel
registro di destinazione
– Le istruzioni di store richiedono l’accesso in scrittura alla
memoria dati ed eseguono la memorizzazione del dato
proveniente dal registro sorgente
– Le istruzioni di salto condizionato devono scrivere il valore del
PC in base al risultato del confronto
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SCO-SCA uniciclo
21
Struttura di base del processore MIPS
• Per eseguire tutte le istruzioni in un solo ciclo di clock
– Ogni risorsa/unità funzionale può essere utilizzata una sola
volta per istruzione
– Occorre duplicare le risorse/unità funzionali di cui si ha bisogno
più di una volta nello stesso ciclo di clock
• memoria dati distinta dalla memoria istruzioni
• ALU e sommatori
– Alcune risorse/unità funzionali possono essere condivise da
differenti flussi di esecuzione
• tramite l’introduzione di multiplexer
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Componenti di base (1)
Load
(nel seguito non lo evidenzieremo... Ck)
address
PC
Instruction
Instruction
Memory
ALU
control
ALU
zero
<
result
Adder
sum
Componenti di base (2)
Mem Write
Registers
5
Reg-sorg 1
32
address
5
(Reg-sorg 1)
Reg-sorg 2
Read data
5
Write data
Reg-dest
32
Data-to-write
(Reg-sorg 2)
Data
32
Memory
Reg Write
Mem Read
I registri commutano
16
Sign
extend
32
sul fronte positivo
dei segnali di abilitazione
Flip/flop positive/negative edge
triggered
Banco dei registri (scrittura)
Decoder
Reg dest
Reg write
w0
R0
w1
R1
w31
R31
Data to write
Banco dei registri (scrittura)
Banco dei registri (lettura) con decoder
Reg source 1
Decoder
R0
Reg source 2
Decoder
R1
B0-1
R31
B1-2
B31-1
B31-2
(Reg source 2)
(Reg source 1)
Banco dei registri (lettura) con MUX
Sincronizzazione tra circuiti sequenziali
I registri commutano
sul fronte positivo
dei segnali di abilitazione
Flip/flop positive edge triggered
HW per eseguire istruzioni CLASSE R
ALU operation
HW per eseguire istruzioni LOAD e STORE
Manca la parte relativa al fetch,
che è identica a quella delle istruzione di classe R
HW per eseguire istruzioni BE e BNE
Manca la parte relativa al fetch,
che è identica a quella delle istruzione di classe R
Lo shift left di 2 bit serve ad avere gli ultimi due bit uguali a 00
L’unità di elaborazione a ciclo singolo
con i segnali di controllo
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Il significato dei segnali di controllo
Segnale
Effetto quando vale 0
Effetto quando vale 1
RegDst
Registro destinazione = rt
Registro destinazione = rd
RegWrite
Nessuno
Nel registro indicato
sull’ingresso Write register
viene scritto il valore Write data
ALUSrc
Il secondo operando di ALU
viene da Read data 2
Il secondo operando di ALU
viene dall’estensione di segno
PCSrc =
Branch AND
zero
Scrittura di PC con PC+4
Scrittura di PC con l’output del
sommatore per il branch
MemRead
Nessuno
Lettura della locazione di
memoria indicata da Address
MemWrite
Nessuno
Scrittura della locazione di
memoria indicata da Address
MemtoReg
L’ingresso Write data (banco L’ingresso Write data (banco
registri) viene dalla ALU
registri) viene dalla memoria
dati
35
L’unità di elaborazione a ciclo singolo
con l’unità di controllo
36
Il valore dei segnali di controllo
Istruzione
RegDst
ALUSrc Memto Reg
Reg
Write
Mem Mem
Read Write
Branch ALUOp
tipo-R
1
0
0
1
0
0
0
10
lw
0
1
1
1
1
0
0
00
sw
X
1
X
0
0
1
0
00
beq
X
0
X
0
0
0
1
01
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Progetto SCO con PLA (1/2)
Progetto SCO con PLA (2/2)
Controllo ALU
L’istruzione set on less than non la implementeremo
Progettazione classica del controllo ALU
Soluzione autori “ottimizzata” (la eviteremo)
Estensione a salto incondizionato
SCO-SCA con salto incondizionato
SCO-SCA multiciclo (cenni)
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L’unità di elaborazione a ciclo multiplo
(tecnica utilizzata anche per il PD32)
• L’esecuzione di un’istruzione è distribuita su più cicli
• Si utilizza un ciclo di clock di durata inferiore rispetto a
quello dell’implementazione a ciclo singolo
• Implementazione dell’unità di elaborazione a ciclo
multiplo
– Più complessa del ciclo singolo
– Ogni fase di esecuzione di un’istruzione richiede un ciclo di
clock
– Un’unità funzionale può essere usata più di una volta per
istruzione in cicli differenti (condivisione di unità funzionali ed
eliminazione di ridondanze hardware)
• Singola unità di memoria per istruzioni e dati anziché due
memorie distinte
• Una sola ALU anziché una ALU e due sommatori
– Occorre introdurre dei registri interni addizionali per
memorizzare i valori da usare nei cicli di clock successivi
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SCO per soluzione multiciclo