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El procesadorDatapath y control
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Introducción� En esta parte del curso contiene:
� Las principales técnicas usadas en el diseño de un
procesador.
� La construcción del datapath y del control.
� Estudiaremos la implementación de una versión
reducida de MIPS.
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Definiciones� El procesador o CPU (unidad central de
procesamiento) sigue las instrucciones del programa al pie de la letra. Suma y compara números, ordena activarse a los dispositivos de I/O, etc.
� El procesador consta de dos componentes:
� El datapath. Ejecuta operaciones aritméticas y lógicas.
� El control. Ordena al datapath, memoria y dispositivos
de I/O lo que hay que hacer de acuerdo al programa.
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Banco de registros� El banco de registros (register file) es un
componente para guardar y leer datos llamados registros.
� En MIPS cada registro es un vector de 32 bits.
� Para leer un registro:
� Entrada: número de registro.
� Salida: dato contenido en el registro.
� Para escribir un registro:
� Entrada: número de registro, dato y una señal de reloj
para controlar la escritura.
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Banco de registros� Dos puertos de lectura y uno de escritura.
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MIPS simplificado� Las instrucciones se hacen en un ciclo de reloj.
� Comienzan a ejecutarse en un flanco de reloj y terminan en el siguiente flanco.
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MIPS simplificado� Tres tipos de instrucciones:
1.Instrucciones de referencia a memoria: load word (lw) y store word (sw).
2.Instrucciones aritmético-lógicas: suma (add), resta (sub), and, or y set on less than (slt).
3.Instrucciones de brincos: brinca si igual (beq) y brinco incondicional (j).
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Implementación� La implementación de las distintas instrucciones
tiene varias acciones en común.
� Los primeros dos pasos son iguales:
1. Enviar el PC (contador de programa) a la memoria y
sacar la siguiente instrucción (ciclo de fetch).
2. Leer uno o dos registros.
� Lo siguiente depende de la clase de instrucción, pero es parecido sin importar el opcode exacto.
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Implementación� Todas las instrucciones, excepto el brinco
incondicional (instrucción j), usan la ALU (unidad aritmético-lógica).
� Las instrucciones de referencia a memoria para
calcular direcciones.
� Las instrucciones aritmético-lógicas para su
operación.
� Los brincos para evaluar la condición.
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Implementación� Después de usar la ALU:
� Las instrucciones de referencia a memoria accesan la
memoria para cargar o guardar un dato.
� Las instrucciones aritmético-lógicas guardan el dato
de la ALU en un registro.
� Los brincos, dependiendo de la condición, cambian el
contador de programa (PC) o lo incrementan en 4.
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Datapath� Realiza operaciones aritméticas y lógicas.
� Elementos del datapath:
� ALU.
� Memoria de instrucciones.
� Memoria de datos.
� Banco de registros.
� Sumadores.
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Primeros elementos del datapath1. Una memoria para guardar y leer instrucciones.
2. Un registro, llamado PC (contador de programa), para guardar la dirección de la instrucción actual.
3. Un sumador para incrementar el PC.
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Ejecutando instrucciones� La ejecución de una instrucción comienza con dos
pasos:
1. Obtener la instrucción de la memoria.
2. Incrementar el PC para preparar la ejecución de la
instrucción siguiente.
� Los tres elementos anteriores se combinan para formar un datapath que obtiene una instrucción e incrementa el PC.
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Primera parte del datapath� Ciclo de fetch. Lee una instrucción e incrementa el
PC.
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Segunda parte del datapath� El siguiente paso es ver como se implementan:
1. Instrucciones aritméticas y lógicas.
2. Instrucciones de carga y guardar (load/store).
3. Brincos.