S. Salvatori - Microelettronica – aprile 2016 – (1 di 63)

Microelettronica

Elementi per il progetto di un microprocessore

prof. Stefano Salvatori

A.A. 2015/2016

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Corso introduttivo di progettazione di sistemi embedded

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Sommario

● Evoluzione della tecnologia

● L'esecuzione di una istruzione

– Programmazione strutturata

● Architettura e organizzazione di un microprocessore

● Progetto di un processore minimo

– livello datapath

– sintesi FSM

● Note sul progetto di un set di istruzioni

– formato

– tipi

– modi di indirizzamento

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Intel 4004

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La tecnologia di oggi

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Livelli di interconnessione

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Un processore di oggi

> 109 transistor

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Legge di Moore

curve shows transistor count doubling every two years

2,300

10,000

100,000

1,000,000

10,000,000

100,000,000

1,000,000,000

2,600,000,000

1971 1980 1990 2000 2011

Date of introduction

4004

8008

8080

RCA 1802

8085

8088

Z80

MOS 6502

6809

8086

80186

6800

68000

80286

80386

80486

PentiumAMD K5

Pentium IIPentium III

AMD K6

AMD K6-IIIAMD K7

Pentium 4Barton Atom

AMD K8

Itanium 2 CellCore 2 Duo

AMD K10Itanium 2 with 9MB cache

POWER6

Core i7 (Quad)Six-Core Opteron 2400

8-Core Xeon Nehalem-EXQuad-Core Itanium TukwilaQuad-core z1968-core POWER7

10-Core Xeon Westmere-EX

16-Core SPARC T3

Six-Core Core i7

Six-Core Xeon 7400

Dual-Core Itanium 2

AMD K10

Microprocessor Transistor Counts 1971-2011 & Moore's Law

Tra

nsis

tor

coun

t

Il numero di transistor integrati in un chip

raddoppia ogni anno

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Legge di Moore

curve shows transistor count doubling every two years

2,300

10,000

100,000

1,000,000

10,000,000

100,000,000

1,000,000,000

2,600,000,000

1971 1980 1990 2000 2011

Date of introduction

4004

8008

8080

RCA 1802

8085

8088

Z80

MOS 6502

6809

8086

80186

6800

68000

80286

80386

80486

PentiumAMD K5

Pentium IIPentium III

AMD K6

AMD K6-IIIAMD K7

Pentium 4Barton Atom

AMD K8

Itanium 2 CellCore 2 Duo

AMD K10Itanium 2 with 9MB cache

POWER6

Core i7 (Quad)Six-Core Opteron 2400

8-Core Xeon Nehalem-EXQuad-Core Itanium TukwilaQuad-core z1968-core POWER7

10-Core Xeon Westmere-EX

16-Core SPARC T3

Six-Core Core i7

Six-Core Xeon 7400

Dual-Core Itanium 2

AMD K10

Microprocessor Transistor Counts 1971-2011 & Moore's Law

Tra

nsis

tor

coun

t

109

curve shows transistor count doubling every two years

2,300

10,000

100,000

1,000,000

10,000,000

100,000,000

1,000,000,000

2,600,000,000

1971 1980 1990 2000 2011

Date of introduction

4004

8008

8080

RCA 1802

8085

8088

Z80

MOS 6502

6809

8086

80186

6800

68000

80286

80386

80486

PentiumAMD K5

Pentium IIPentium III

AMD K6

AMD K6-IIIAMD K7

Pentium 4Barton Atom

AMD K8

Itanium 2 CellCore 2 Duo

AMD K10Itanium 2 with 9MB cache

POWER6

Core i7 (Quad)Six-Core Opteron 2400

8-Core Xeon Nehalem-EXQuad-Core Itanium TukwilaQuad-core z1968-core POWER7

10-Core Xeon Westmere-EX

16-Core SPARC T3

Six-Core Core i7

Six-Core Xeon 7400

Dual-Core Itanium 2

AMD K10

Microprocessor Transistor Counts 1971-2011 & Moore's Law

Tra

nsis

tor

coun

t

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Il processore come macchina programmabile

● Un processore è un sistema elettronico di tipo programmabile, nel senso che è in grado di eseguire un programma

address

instructions

processor

memory

registers

instructions

data

00..0016

FF..FF16

and data

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Descrizione di un algoritmo

input/output

istruzione

condizione

inizio/fine

connessione

blocco di istruzioni

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Programmazione strutturata

sequenza

T F

condizione

cond T

F

ciclo while

cond

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Esempio

In B

somma

end

Out C

C ← A + B

In A

Addizione tra due numeri

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Esempio

max

end

Out max

In A , B

Massimo tra due numeri

T FA > B

max ← A max ← B

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Esempio

end

Out max

In A

Ricerca massimo (-255 per uscire)

T FA > max

max ← A

A != -255

T

F

A ← 0

max ← 0

max

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Esercizi

1. Disegnare la struttura del ciclo for;

2. Disegnare la struttura del diagramma di flusso che descrive il lavoro svolto da un microcontrollore;

3. Disegnare il diagramma di flusso del lavoro svolto da un sistema a uC che risponda alle seguenti specifiche:• Acquisisca lo stato di un ingresso;

• Ogni volta che l'ingresso passa dallo stato logico basso a quello alto si genera un evento;

• Una uscita deve diventare alta ogni 4 eventi.

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Ciclo for

cond. i

T

F

i ← iniz

modif. i

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Ciclo for: esempio

i > 0

T

F

I ← 3600000

i ← i - 1

for(i = 3600000 ; i>0; i­­){

...}

i = 3600000;while(i>0){

...  i­­; }

Ciclo while equivalente

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Ciclo per un uC

true

T

F

funzione

iniziallizz.

start

end

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“4 eventi”

IN = 0

T

F

evento

return

Aspetta che l'input “esca” dallo stato basso

Qui c'è stato il fronte positivo

Att.ne che succede se rientro “troppo presto”?

S. Salvatori - Microelettronica – aprile 2016 – (20 di 63)

“4 eventi”

IN = 0

T

F

evento

returnInizio “test”

fine “test”

Inizio nuovo “test”

IN:

S. Salvatori - Microelettronica – aprile 2016 – (21 di 63)

“4 eventi”

IN = 0

T

F

evento

IN = 1

T

F

return

Aspetta che l'input “esca” dallo stato basso

Qui c'è stato il fronte positivo

Aspetta che l'input torni nello stato basso

S. Salvatori - Microelettronica – aprile 2016 – (22 di 63)

“4 eventi”

start

true

T

e < 4

T

F

evento

e ← e + 1

e ← 0

out ← 0

out ← 1

end

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Architettura e organizzazione

di un microprocessore

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Architettura e organizzazione di un uP

● Un computer general purpose consiste in un sistema denominato: computer digitale con programma memorizzato

● La tecnologia microelettronica ha consentito di integrare milioni di MOS su un solo chip dando luogo alla nascita di sistemi ultraveloci e di complessità sempre più alta

● Il progresso nel campo dei uP non si è avuto solo grazie al progresso tecnologico

● Allo sviluppo hanno certamente contribuito le capacità degli ingegneri in grado di definire sia l'architettura che l'organizzazione di un microcomputer

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Architettura e organizzazione di un uP

● Architettura: descrive il computer dal punto di vista dell'utente

● Set delle istruzioni● Registri disponibili● Gestione della memoria● Gestione delle eccezioni …

● Organizzazione: descrive come è implementata l'architettura

● Struttura della pipeline● Chache● Soluzioni hardware ...

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Programma memorizzato

● Un processore è un automa che esegue istruzioni scritte nella memoria programma

address

instructions

processor

memory

registers

instructions

data

00..0016

FF..FF16

and data

Lo stato del sistema è determinato dai valori memorizzati in locazioni di memoria e in registri interni al uP

ogni istruzione definisce le modalità di cambiamento dei dati e quindi dello stato

essendo programmabili, i uP risultano dispositivi universali, potendo eseguire qualunque algoritmo

dati e programma sono immagazzinati nella stessa memoria le istruzioni sono trattate come i dati (questo può anche portare a un codice che si auto-modifica)

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Astrazione nella progettazione

● I uP sono dispositivi che integrano milioni di MOS che operano a velocità elevatissima.

● I dispositivi commutano milioni di volte al secondo.

● Il sistema deve operare in modo ripetibile e controllato per non cadere in uno stato imprevisto (collasso).

● Come può essere progettato un sistema tanto complesso?

– → livelli di astrazione che abbiamo visto

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Elementi fondamentali di una CPU

ALU

REG

REG

MDR

PC

MAR

FUNZ

AI BUSESTERNI

DECODER

IR

R0

R1

Rn

BANCODI

REGISTRI

...

SR

incrementer

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Il processore minimo

● Il tipo più semplice di processore prevederà:

• un PC, Program Counter, per puntare all’istruzione da eseguire

• un IR, Instruction Register, che mantiene il codice dell’istruzione da eseguire

• un registro, Accumulatore, in grado di immagazzinare il dato su cui lavorare in un certo istante

• una ALU, Arithmetic Logic Unit, in grado di eseguire operazioni elementari

• una unità di decodifica e controllo che imposterà le azioni in funzione dell’istruzione

MU0..6

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Esempio di processore minimo

● Per il più semplice processore prevediamo per l'istruzione un formato a 16 bit;

● Nei 16 bit sono inclusi l'opcode a 4 bit e un campo d'indirizzo a 12 bit:

opcode S

12 bits4 bits

istruzioni a 16 bit

I dati sono a 16 bit (ALU)

12 bit d’indirizzo -> 4096x16 = 8 kbyte di spazio di memoria

MU0MU0

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MU0

Il set di istruzioni è anch'esso minimo:

Istruzione Opcode Effetto

LDA S 0000 ACC := mem16[S]

STO S 0001 mem16[S] := ACC

ADD S 0010 ACC := ACC + mem16[S]

SUB S 0011 ACC := ACC - mem16[S]

JMP S 0100 PC := S

JGE S 0101 if ACC >= 0 PC := S

JNE S 0110 if ACC !=0 PC := S

STP 0111 stop

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MU0

● Il progetto della logica è divisibile in due passi fondamentali:

• datapath tutti gli elementi che lavorano su “parole” (acc., PC,

ALU, IR) fanno parte del datapath per questi elementi si usa uno stile di progetto di tipo

Register Transfer level (RTL), basato su registri, MUX, …

• logica di controllo tutto ciò che non è incluso nel datapath, farà parte della

logica di decodifica/controllo il progetto si basa su FSM (Finite State Machine)