Microelettronica -...
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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
S. Salvatori - Microelettronica – aprile 2016 – (2 di 63)
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”?
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“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
S. Salvatori - Microelettronica – aprile 2016 – (24 di 63)
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)