שלבי ביצוע הוראת מכונה (1) FETCH = קרא הוראה מהזיכרון ע "...

שלבי ביצוע הוראת מכונה

(1 )FETCH-קרא הוראה מהזיכרון ע"פ הכתובת שמכיל ה = PC.(2 )DECODE פענח את הפקודה וקרא את האוגרים הנחוצים =

)אחד או שניים(.(3 )EXECUTE-בעזרת ה = ALU חשב את התוצאה, או כתובת

רצויה.(4 )MEMORY השתמש בתוצאה לבצע במידת הצורך: או =

(.Load( או קריאה מהזיכרון )Storeטעינה לזיכרון )(5 )WRITE BACK.בצע במידת הצורך טעינה לאוגר =

במשך כל מחזור השעון קוראים בסוף השעון כותבים

cycle time

rising edge

falling edge

קווי הבקרה - מיוצרים על פי השעון, כל עליית שעון תשנה בעקבותיה את קווי הבקרה )אם נדרש(

MIPS תיאור מפושט של מעבד

ALUPCInstruction

Instructionmemory

#register

Registers

Data

#register

#register

address

Datamemory

Data

I-type ו- R-typeהחיבורים המתוארים תומכים בכל שלבי פקודות add, sub, or, xor, and, slt, lw, sw, beq, jאנו נתמוך בפקודות:

bne, addi, jal, jrכמובן שנצטרך לדעת כיצד מוסיפים פקודות נוספות כמו למשל:

PCInstruction

memory

4

Registers

Mux

Mux

Mux

ALU

EX

M

WB

M

WB

WB

ID/EX

0

EX/MEM

MEM/WB

Datamemory

Mux

Hazarddetection

unit

Forwardingunit

IF.Flush

IF/ID

Signextend

Control

Mux

=

Shiftleft 2

Mux

עוד שלושה שבועות

:fetchחלקים בסיסים של המחשב הדרושים לשלב ה-

InstructionAddress

Instruction

InstructionMemory

PC

Write

Add

Sum

כמובן שדרוש זיכרון פקודות , רגיסטר לשמירת הכתובת לחשוב הכתובת הבאהadderוכן

FETCH -שלב ה

Add

PC Readaddress

Instruction

Instructionmemory

4

A CPU capable of R-type instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

5[15:11]=Rd

InstructionMemoryPC

Adder4

ck

6[31:26]

6[5:0]=funct

decodeיחידת הרגיסטרים. יחידה זו דרושה לשלב ה-(write back)ולשלב ה-

Readregister 1

Registers

Readregister 2

Write register

WriteData

Readdata 1

Readdata 2

מספרי האוגרים

Data

Arithmetic Logic operation

Readregister 1

Registers

Readregister 2

Write register

WriteData

Read

data 1

Readdata 2

ALU

Zero

ALU operation

ALUresult

Instruction

ALU

ALU

result

ALU operation

R-typeהפעולה הבסיסית שנדגים הנה פקודת

A CPU capable of R-type instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

5[15:11]=Rd

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

6[5:0]=funct

A CPU capable of R-type instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

5[15:11]=Rd

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

6[5:0]=funct

The internal structure of the Register File

32

32

3232

32

32

32

32

32

32

32

Read data 2

write data

Read data 1

5

5

5

Rd reg 2 )= Rt(

Rd reg 1 )= Rs(

RegWrite

Wr reg )= Rd( 32

32

E

קוראים משתי היציאות בוזמנית ערכים של שני רגיסטרים שוניםכותבים לאחד הרגיסטרים האחרים )בעליית השעון הבאה(

A CPU capable of R-type instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

5[15:11]=Rd

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite

A CPU capable of R-type instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

5[15:11]=Rd

Reg File

InstructionMemory

PC ALU

ck

ck

A CPU capable of R-type instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

5[15:11]=Rd

Reg FileInstructionMemory

PCALU

ck

ck

4

A CPU capable of R-type instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

5[15:11]=Rd

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite

6[5:0]=funct ALUcontrol

Load,Store בניית פעולות

Readaddress

Datamemory

Writeaddress

Writedata

Readdata

Write

Read

Signextend

16 32

ממנו נקרא ואליו נכתובdataכאן נדרש זיכרון ל- 16bit שהוא רק imm של ה- sign extensionכמו כן יש לבצע

A CPU capable of lw instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite=1

16[15:0]

5

add

Sext16->32

DataMemory

AddressD. Out

A CPU capable of lw instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite=1

16[15:0]

5

add

Sext16->32

DataMemory

AddressD. Out

A CPU capable of lw instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite=1

16[15:0]

5

add

Sext16->32

DataMemory

AddressD. Out

A CPU capable of lw & sw instructions only

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite=0

16[15:0]

5

add

Sext16->32

DataMemory

D.In

Address

MeWrite=1

A CPU capable of R-type & lw instructions )principle(

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite

16[15:0]

5

add

Sext16->32

DataMemory

5[25:21]=Rs

6[5:0]=funct ALUcontrol

5[15:11]=Rd

Address

A CPU capable of R-type & lw instructions

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite

16[15:0]

5

add

Sext16->32

DataMemory

5[25:21]=Rs

6[5:0]=funct ALUcontrol

Rd

AddressD. Out

A CPU capable of R-type & lw/sw instructions

5[25:21]=Rs

5[20:16]=Rt

Reg File

InstructionMemoryPC ALU

Adder4

ck

ck

6[31:26]

RegWrite

16[15:0]

5

add

Sext16->32

DataMemory

5[25:21]=Rs

6[5:0]=funct ALUcontrol

Rd

Address

D.In

D. Out

MemWrite

:Branch אלמנטים דרושים להוספת

ALU

Zero

Readregister 1

Registers

Readregister 2

Write register

WriteData

Readdata 1

Readdata 2

Instruction

AdderSum

Shiftleft 2

SighExtend

BranchTarget

מועברליחידתהבקרהכתוצאההלוגית

שלההשוואה

16 32

PC+4 -משלב הFetchIn addresses, we always shift left by two bits

שילוב כל הפקודות

Readregister 1

Registers

Readregister 2

Write register

WriteData

Readdata 1

Readdata 2

Zero

ALU

ALUresult

Data

Signextend 32

Readaddress

memory

Writeaddress

Writedata

Readdata

Write

Read

16

Add4

PC

Mux

Readaddress

Instruction

Instructionmemory

ADD

ALUresult

Shiftleft 2

Mux

Mux

?CPUאיפה ה-

CPU

InstructionMemory

DataMemory

PC

קווי בקרה

PC

Instructionmemory

Readaddress

Instruction

16 32

AddMux

Registers

Writeregister

Writedata

Readdata 1

Readdata 2

Readregister 1Readregister 2

4

Mux

ALU operation3

RegWrite

MemRead

MemWrite

PCSrc

ALUSrc

MemtoReg

ALUresult

ZeroALU

Datamemory

Address

Writedata

Readdata M

ux

Signextend

AddALU

resultShiftleft 2

Control

PC

Instructionmemory

Readaddress

Instruction]31– 0[

Instruction ]20– 16[

Instruction ]25– 21[

Add

Instruction ]5– 0[

MemtoReg

ALUOp

MemWrite

RegWrite

MemRead

BranchRegDst

ALUSrc

Instruction ]31– 26[

4

16 32Instruction ]15– 0[

0

0Mux

0

1

Control

Add ALUresult

Mux

0

1

RegistersWriteregister

Writedata

Readdata 1

Readdata 2

Readregister 1

Readregister 2

Signextend

Shiftleft 2

Mux

1

ALUresult

Zero

Datamemory

Writedata

Readdata

Mux

1

Instruction ]15– 11[

ALUcontrol

ALUAddress

Instruction RegDst ALUSrcMemto-

RegReg

WriteMem Read

Mem Write Branch ALUOp1 ALUp0

R-format 1 0 0 1 0 0 0 1 0lw 0 1 1 1 1 0 0 0 0sw X 1 X 0 0 1 0 0 0beq X 0 X 0 0 0 1 0 1

R-format Iw sw beq

Op0

Op1

Op2

Op3

Op4

Op5

Inputs

Outputs

RegDst

ALUSrc

MemtoReg

RegWrite

MemRead

MemWrite

Branch

ALUOp1

ALUOpO

Control

ALU control

ALUOp Funct field OperationALUOp1 ALUOp0 F5 F4 F3 F2 F1 F0

0 0 X X X X X X 0100 1 X X X X X X 1101 0 X X 0 0 0 0 0101 0 X X 0 0 1 0 1101 0 X X 0 1 0 0 0001 0 X X 0 1 0 1 0011 0 X X 1 0 1 0 111

ALU control output000 AND001 OR010 add110 subtract111 set-on-less-than

(sign of rs-rt -> rd)

00 = lw, sw01 = beq, 10 = arithmetic

ALUop

Operation2

Operation1

Operation0

Operation

ALUOp1

F3

F2

F1

F0

F (5– 0)

ALUOp0

ALUOp

ALU control block

jumpפקודת ה-

4 bits 26 bits 2 bits

00

כתובת קפיצה במילים :

כתובת קפיצה בבתים :

0110

101 … 101111011

101 … 101111011

101 … 101111011

00 101 … 1011110110110 הקפיצה הסופית :

ביטים אחרונים4תוספת :

J 101…101111011 פירוש הפקודה:

1001…111111011 הפקודה הבאה נמצאת בכתובת

Jump

Shiftleft 2

PC

Instructionmemory

Readaddress

Instruction]31– 0[

Datamemory

Readdata

Writedata

RegistersWriteregister

Writedata

Readdata 1

Readdata 2

Readregister 1

Readregister 2

Instruction ]15– 11[

Instruction ]20– 16[

Instruction ]25– 21[

Add

ALUresult

Zero

Instruction ]5– 0[

MemtoReg

ALUOp

MemWrite

RegWrite

MemRead

Branch

JumpRegDst

ALUSrc

I nstruction ]31– 26[

4

Mux

Instruction ]25– 0[ Jump address ]31– 0[

PC+4 ]31– 28[

Signextend

16 32Instruction ]15– 0[

1

Mux

1

0

Mux

0

1

Mux

0

1

ALUcontrol

Contr ol

Add ALUresult

Mux

0

1 0

ALU

Shiftleft 2

26 28

Address