Sequential (SEQ, Ardışıl) Y86 İşlemci Uygulaması (Devamı)

(1)

– 1 –

Sequential (SEQ, Ardışıl) Y86 İşlemci Uygulaması (Devamı)

BIL-304: Bilgisayar Mimarisi

Dersi veren öğretim üyesi:

Dr. Öğr. Üyesi Fatih Gökçe

Ders kitabına ait sunum dosyalarından adapte edilmiştir: http://csapp.cs.cmu.edu/

Adapted from slides of the textbook: http://csapp.cs.cmu.edu/

(2)

call‘un Yürütülmesi

Fetch



9 byte okunur



PC 9 arttırılır

Decode



Yığın pointer’ı okunur

Execute



Yığın pointer’ı 8 azaltılır

Memory



Arttırılmış PC değeri (dönüş noktasının adresi) yığın

pointer’ının yeni değeriyle gösterilen adrese yazılır

Write back



Yığın pointer’ı güncellenir

PC Update



PC’ye Hedef’in adresi yüklenir

call Hedef 8 0 Hedef

XX XX Dönüş noktası:

XX XX Hedef:

(3)

– 3 –

Hesaplama Aşamaları: call



Yığın pointer’ını azaltmak için ALU kullanılır



Arttırılmış PC değeri (geri dönerken kullanılmak üzere yığına) kaydedilir

call Hedef

icode:ifun  M₁[PC]

valC  M₈[PC+1]

valP  PC+9 Fetch

Komut byte’ını oku

Hedef adresini oku

Dönüş noktasının adresini hesapla

valB  R[%rsp]

Decode

Yığın pointer’ını oku valE  valB + –8

Execute Yığın pointer’ını azalt

M₈[valE]  valP

Memory Dönüş noktasının adresini yığına yaz

R[%rsp]  valE Write

back

Yığın pointer’ını güncelle PC  valC

PC update PC’ye Hedef adresini yükle

(4)

ret‘in Yürütülmesi

Fetch



1 byte okunur

Decode



Yığın pointer’ı okunur

Execute



Yığın pointer’ı 8 arttırılır

Memory



Geri dönüş adresi arttırılmamış yığın

pointer’ının gösterdiği adresten okunur

Write back



Yığın pointer’ını güncelle

PC Update



PC’ye okunan geri dönüş adresini yükle

ret 9 0

XX XX return:

(5)

– 5 –

Hesaplama Aşamaları: ret



Yığın pointer’ını arttırmak için ALU kullanılır



Geri dönüş adresi hafızadan okunur

ret

Fetch

Komut byte’ını oku

valA  R[%rsp]

valB  R[%rsp]

Decode İşlem yapılacak yığın pointer’ını oku

İşlem yapılacak yığın pointer’ını oku valE  valB + 8

Execute Yığın pointer’ını arttır

valM  M₈[valA]

Memory Geri dönüş adresini oku

R[%rsp]  valE Write

back

Yığın pointer’ını güncelle PC  valM

PC update PC’ye geri dönüş adresini yükle

(6)

Hesaplama Adımları



Tüm komutlar aynı genel biçimi izler



Her bir adımda hesaplananlar farklılaşır

OPq rA, rB

rA:rB  M₁[PC+1]

valP  PC+2 Fetch

Komut byte’ını oku Kaydedici byte’nı oku [Sabit sözcüğü oku]

Bir sonraki PC'yi hesapla valA  R[rA]

valB  R[rB]

Decode İşlem yapılacak A değerini oku

İşlem yapılacak B değerini oku valE  valB OP valA

Set CC

Execute ALU işlemini gerçekleştir

Durum kodlarını güncelle

Memory [Hafızadan oku/hafızaya yaz]

R[rB]  valE Write

back

ALU sonucunu geri yaz [Hafıza sonucunu geri yaz]

PC  valP

PC update PC’yi güncelle

icode,ifun rA,rB

valC valP

valA, srcA valB, srcB valE

Cond code valM

dstE dstM PC

(7)

– 7 –

Hesaplama Adımları



Tüm komutlar aynı genel biçimi izler



Her bir adımda hesaplananlar farklılaşır

call Dest

Fetch

Decode

Execute Memory Write back

PC update

icode,ifun rA,rB

valC valP

valA, srcA valB, srcB valE

Cond code valM

dstE dstM PC

valC  M₈[PC+1]

valP  PC+9

valB  R[%rsp]

valE  valB + –8

M₈[valE]  valP R[%rsp]  valE

PC  valC

Komut byte’ını oku [Kaydedici byte’nı oku]

Sabit sözcüğü oku

Bir sonraki PC'yi hesapla [İşlem yapılacak A değerini oku] İşlem yapılacak B değerini oku ALU işlemini gerçekleştir [Durum kodlarını güncelle/kullan] Hafızaya yaz

ALU sonucunu geri yaz [Hafıza sonucunu geri yaz]

PC’yi güncelle

(8)

Hesaplanan Değerler

Fetch

icode Komut kodu

ifun Komut fonksiyonu rA Komut kaydedicisi A rB Komut kaydedicisi B valC Komut sabiti

valP Arttırılmış PC

Decode

srcA Kaydedici ID’si A srcB Kaydedici ID’si B dstE Hedef kaydedici E dstM Hedef kaydedici M valA Kaydedici değeri A valB Kaydedici değeri B

Execute



valE ALU sonucu



Cnd Şartlı Dallanma/taşıma bayrağı

Memory



valM Hafızadan okunan veri

(9)

– 9 –

SEQ Donanımı



Mavi kutular:

öntasarımlı donanım blokları

 Örnek: hafızalar, ALU



Gri kutular:

kontrol lojiği

 HCL’de tanımlanır



Beyaz oval kutular:

sinyal etiketleri



Kalın hatlar:

64-bit sözcük değerleri



İnce hatlar:

4-8 bit değerler



Kesikli noktalı hatlar:

1-bit değerler



Sağdaki şekildeki İngilizce terimler ilerleyen

slaytlarda her bir kısım

ayrı ayrı detaylandırılırken

çevrilecektir.

(10)

Fetch Lojiği

Öntasarımlı bloklar



PC: PC değerini içeren kaydedici



Komut hafızası: 10 byte okunması durumunda PC den PC+9’a kadar adreslerdeki byte’lar okunur

 Geçersiz adres durumunda geçersiz adres hata sinyalini üretir



Böl: Komut byte’ını icode ve ifun kısımlarına ayırır



Hizala: rA, rB ve valC değerlerini çeker

Komut hafızası

PC arttırma

rB icode ifun rA

PC

valC valP

Need regids

(regid gerekli) Need valC (valC gerekli) Instr

valid (komut geçerli)

Hizala Böl

Bytes 1-9 Byte 0

imem_error

icode ifun

(11)

– 11 –

Fetch Lojiği

Kontrol lojiği



Instr. Valid (komut geçerli): Bu komut geçerli mi?



icode, ifun: Geçersiz adres durumunda nop komutu üretilir



Need regids (regids gerekli): Komutta kaydedici kullanılıyor mu?



Need valC (valC gerekli): Komutta sabit bir sözcük var mı?

Komut hafızası

PC arttırma

rB icode ifun rA

PC

valC valP

Need regids

(regid gerekli) Need valC (valC gerekli) Instr

valid (komut geçerli)

Hizala Böl

Bytes 1-9 Byte 0

imem_error

icode ifun

(12)

HCL dilinde Fetch Kontrol Lojiği

# Komut kodunu belirle int icode = [

imem_error: INOP;

1: imem_icode;

];

# Komut fonksiyonunu belirle int ifun = [

imem_error: FNONE;

1: imem_ifun;

];

Komut hafızası

PC

Böl

Byte 0

imem_error

icode ifun

(13)

– 13 –

HCL dilinde Fetch Kontrol Lojiği

bool need_regids =

icode in { IRRMOVQ, IOPQ, IPUSHQ, IPOPQ, IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ };

bool instr_valid = icode in

{ INOP, IHALT, IRRMOVQ, IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IOPQ, IJXX, ICALL, IRET, IPUSHQ, IPOPQ };

pushq rA A 0 rA F

jXX Hedef 7 fn Hedef

popq rA B 0 rA F

call Hedef 8 0 Hedef

cmovXX rA, rB 2 fn rA rB

irmovq V, rB 3 0 F rB V

rmmovq rA, D(rB) 4 0 rA rB D

mrmovq D(rB), rA 5 0 rA rB D

OPq rA, rB 6 fn rA rB

ret 9 0

nop 1 0

halt 0 0

(14)

– 14 –

Decode Lojiği

Kaydedici Dizisi



Okuma portları: A, B



Yazma portları: E, M



Adresler kaydedici ID’leri veya 15 (0xF)’tir (kaydedici erişimi olmaması durumunda)

Kontrol Lojiği



srcA, srcB: Okuma port adresleri



dstE, dstM: Yazma port

adresleri

^rB

dstE dstM srcA srcB

Kaydedici dizisi

A B

M

E dstE dstM srcA srcB

icode rA

valB

valA valM valE

Cnd

Sinyaller



Cnd: Şartlı taşıma yapılıp yapılmayacağını belirtir



Execute aşamasında

hesaplanır

(15)

– 15 –

A Değerinin Kaynakları

int srcA = [

icode in { IRRMOVQ, IRMMOVQ, IOPQ, IPUSHQ } : rA;

icode in { IPOPQ, IRET } : RRSP;

1 : RNONE; # Kaydediciye gerek yok ];

cmovXX rA, rB valA  R[rA]

Decode İşlem yapılacak A

değerini oku rmmovq rA, D(rB)

valA  R[rA]

değerini oku popq rA

valA  R[%rsp]

Decode Yığın pointer’ını oku

jXX Dest

Decode İşlem yapılacak bir şey yok

call Dest

valA  R[%rsp]

Decode Yığın pointer’ını oku

ret

Decode İşlem yapılacak bir şey yok

OPq rA, rB valA  R[rA]

değerini oku

(16)

– 16 –

E Değerinin Yazılacağı Yerler

int dstE = [

icode in { IRRMOVQ } && Cnd : rB;

icode in { IIRMOVQ, IOPQ} : rB;

icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;

1 : RNONE; # Herhangi bir kaydediciye yazma ];

Hiçbir şey yok

R[%rsp]  valE Yığın pointer’ını güncelle Hiçbir şey yok

R[rB]  valE cmovXX rA, rB Write-back

rmmovq rA, D(rB)

popq rA

jXX Dest

call Dest

ret Write-back

Write-back

Şarta bağlı olarak sonucu geri yaz

R[%rsp]  valE Yığın pointer’ını güncelle

R[%rsp]  valE Yığın pointer’ını güncelle R[rB]  valE

OPq rA, rB

Write-back Sonucu geri yaz

(17)

– 17 –

Execute Lojiği

Birimler



ALU

 İhtiyaç duyulan 4 fonksiyonu gerçekleştirir

 Durum kodu değerlerini üretir



CC

 3 bitlik durum kodlarını içeren kaydedici



cond

 Şartlı dallanma/taşıma bayrağını (Cnd) hesaplar

Kontrol Lojiği



Set CC: Durum kodu kaydedicisi yüklenmeli mi?



ALU A: ALU’nun A girişi



ALU B: ALU’nun B girişi



ALU fun: ALU hangi fonksiyonu hesaplamalı?

CC ALU

ALU A

ALU B

ALU fun.

Cnd

icode ifun valC valA valB valE

Set CC

cond

(18)

– 18 –

ALU A Girişi

int aluA = [

icode in { IRRMOVQ, IOPQ } : valA;

icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ } : valC;

icode in { ICALL, IPUSHQ } : -8;

icode in { IRET, IPOPQ } : 8;

# Diğer komutlar ALU’ya gerek duymaz ];

valE valB + –8 Yığın pointer’ını azalt İşlem yok

valE valB + 8 Yığın pointer’ını arttır valE  valB + valC Efektif adresi hesapla

valE 0 + valA valA’yı ALU üzerinden aktar cmovXX rA, rB

Execute

popq rA

jXX Dest

call Dest

ret Execute

Execute

Execute valE valB + 8 Yığın pointer’ını arttır valE  valB OP valA ALU işlemini gerçekleştir OPq rA, rB

Execute

(19)

– 19 –

ALU İşlemi

int alufun = [

icode == IOPQ : ifun;

1 : ALUADD;

];

valE  valB + –8 Yığın pointer’ını azalt İşlem yok

valE  valB + 8 Yığın pointer’ını arttır valE  valB + valC Efektif adresi hesapla

valE  0 + valA valA’yı ALU üzerinden aktar cmovXX rA, rB

Execute

rmmovl rA, D(rB)

popq rA

jXX Dest

call Dest

ret Execute

Execute

Execute valE  valB + 8 Yığın pointer’ını arttır valE  valB OP valA ALU işlemini gerçekleştir OPl rA, rB

Execute

(20)

Memory Lojiği

Memory



Hafızadan sözcük okunur veya hafızaya sözcük yazılır

Kontrol Lojiği



stat: Komutun durumu nedir?



Mem. read: sözcük okunacak mı?



Mem. write: sözcük yazılacak mı?



Mem. addr.: Adresi seçer



Mem. data.: Veriyi seçer

Veri Hafızası

Mem.

read

Mem.

addr

okuma

yazma

Veri çıkışı

Mem.

data

valE valM

valA valP Mem.

write

Veri girişi

icode Stat

dmem_error

instr_valid imem_error

stat

(21)

– 21 –

Komut durumu

Kontrol Lojiği



stat: Komut durumu nedir?

Veri Hafızası

Mem.

read

Mem.

addr

okuma

yazma

Veri çıkışı

Mem.

data

valE valM

valA valP Mem.

write

Veri girişi

icode Stat

dmem_error

instr_valid imem_error

stat

## Komut durumunu belirle int Stat = [

imem_error || dmem_error : SADR;

!instr_valid: SINS;

icode == IHALT : SHLT;

1 : SAOK;

];

(22)

– 22 –

Memory Adresi

OPq rA, rB Memory

popq rA

jXX Dest

call Dest

ret

İşlem yok

M₈[valE]  valA

Memory Değeri hafızaya yaz

valM  M₈[valA]

Memory Yığından oku

Memory Dönüş adresini yığına yaz

valM  M₈[valA]

Memory Dönüş adresini oku

Memory İşlem yok

int mem_addr = [

icode in { IRMMOVQ, IPUSHQ, ICALL, IMRMOVQ } : valE;

icode in { IPOPQ, IRET } : valA;

# Diğer komutlar adrese ihtiyaç duymaz ];

(23)

– 23 –

Memory Read (Okuma)

OPq rA, rB Memory

popq rA

jXX Dest

call Dest

ret

İşlem yok

M₈[valE]  valA

Memory Değeri hafızaya yaz

valM  M₈[valA]

Memory Yığından oku

Memory Dönüş adresini yığına yaz

valM  M₈[valA]

Memory Dönüş adresini oku

Memory İşlem yok

bool mem_read = icode in { IMRMOVQ, IPOPQ, IRET };

(24)

PC Update (Güncelleme) Lojiği

New (Yeni) PC



PC’nin bir sonraki değerini seç

New (Yeni) PC

Cnd

icode valC valM valP

PC

(25)

– 25 –

PC

Update

OPq rA, rB

popq rA

jXX Hedef

call Hedef

ret

PC  valP

PC  Cnd ? valC : valP

PC  valC

PC update PC’ye Hedef adresini yükle

PC  valM

PC update PC’ye dönüş adresini yükle

int new_pc = [

icode == ICALL : valC;

icode == IJXX && Cnd : valC;

icode == IRET : valM;

1 : valP;

];

(26)

SEQ’in Çalışması

Durum



PC kaydedicisi



Durum kodu kaydedicisi



Veri hafızası



Kaydedici dizisi

Tamamı saat sinyalinin yükselen kenarında güncellenir

Kombinasyonel Lojik



ALU



Kontrol lojiği



Hafıza okumaları



Komut hafızası



Kaydedici dizisi



Veri hafızası

Kombinasyonel

lojik Veri

Hafızası

Kaydedici Dizisi

%rbx = 0x100

PC 0x014

CC

100 Okuma

portları

Yazma portları

Okuma Yazma

(27)

– 27 –

SEQ’in

Çalışması

#2



durum ikinci irmovq komutuna bağlı olarak set edilir



kombinasyonel lojik durum değişikliğine tepki vermeye başlar

0x014: addq %rdx,%rbx # %rbx <-- 0x300 CC <-- 000 0x016: je hedef # Dallanma olmaz

0x01f: rmmovq %rbx,0(%rdx) # M[0x200] <-- 0x300 Cycle 3:

Cycle 4:

Cycle 5:

0x00a: irmovq $0x200,%rdx # %rdx <-- 0x200 Cycle 2:

0x000: irmovq $0x100,%rbx # %rbx <-- 0x100 Cycle 1:

Clock

Cycle 1

j k l m

Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4

Combinational

logic Veri

Hafızası

Kaydedici Dizisi

%rbx = 0x100

PC 0x014

CC

100 Okuma

portları

Yazma portları

Okuma Yazma

(28)

SEQ’in

Çalışması

#3



durum ikinci irmovq komutuna bağlı olarak set edilir



kombinasyonel lojik addq komutunun sonuçlarını oluşturur

Kombinasyonel

lojik Veri

Hafızası

Kaydedici Dizisi

%rbx = 0x100

PC 0x014

CC

100 Okuma

portları

Yazma portları

0x016

000

%rbx

<-- 0x300

Okuma Yazma

Cycle 4:

Cycle 5:

Clock

Cycle 1

j k l m

(29)

– 29 –

SEQ’in

Çalışması

#4



durum addq

komutuna bağlı olarak set edilir



kombinasyonel lojik durum

değişikliğine tepki vermeye başlar

Cycle 4:

Cycle 5:

Clock

Cycle 1

j k l m

Kombinasyonel

lojik Veri

Hafızası

Kaydedici Dizisi

%rbx = 0x300

PC 0x016

CC

000 Okuma

portları

Yazma portları

Okuma Yazma

(30)

SEQ’in

Çalışması

#5



durum addq

komutuna bağlı olarak set edilir



kombinasyonel lojik je

komutunun sonuçlarını oluşturur

Cycle 4:

Cycle 5:

Clock

Cycle 1

j k l m

Kombinasyonel

lojik Veri

Hafızası

Kaydedici Dizisi

%rbx = 0x300

PC 0x016

CC

000 Okuma

portları

Yazma portları

0x01f

Okuma Yazma

(31)

– 31 –

SEQ Özeti

Uygulaması



Herbir komut basit adımlar dizisi olarak ifade edilir



Her komut tipi için aynı genel akış izlenir



Kaydedici, hafızalar ve öntasarımlı kombinasyonel blokları birleştirir



Bu blokların birleşimini kontrol lojiği ile sağlar

Kısıtlamalar



Pratik uygulama açısından çok yavaştır



Bir saat palsinde, komut hafızası, kaydedici dizisi, ALU ve veri hafızası boyunca sinyallerin yayılmaları gerekir



Bu yayılma gereksinimi nedeniyle saat sinyalinin çok yavaş işlemesi gerekir

