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Universidade Federal de Pelotas
Instituto de Física e Matemática
Departamento de Informática
Bacharelado em Ciência da Computação
Arquitetura Arquitetura e e OrganizaOrganizaçãçãoo
de de Computadores Computadores IIII
Aula 6
2. MIPS multiciclo: projeto do bloco de controle
com microprogramação
Prof. José Luís Güntzel
guntzel@ufpel.edu.br
www.ufpel.edu.br/~guntzel/AOC2/AOC2.html
slide 6.2 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Resumo dos Passos Necessários para Cada Instrução
lw: Reg[RI[20-16]] = RDM
Término de uma instrução
load word
33
lw: 5
sw: 4
4Número de passos
lw: RDM = Mem [ULASaída]
sw: Mem [ULASaída] = B
Reg [RI[15-11]] =
ULASaída
Término de uma instrução
store word ou de tipo R
PC = PC[31-28] ||
(RI[25-0] <<2 )
Se (A == B) então
PC = ULASaída
ULASaída = A + extensão de sinal
(RI[15-0])
ULASaída = A op B
Execução, cálculo do
endereço de acesso à
memória, término de uma
instrução branch/jump
A = Reg [RI[25-21]]
B = Reg [RI[20-16]]
ULASaída = PC + (extensão de
sinal(RI[15-0]) <<2)
Decodificação da instrução
& leitura dos registradores
Rs e Rt & cálculo do
endereço de desvio (cond.)
RI = Mem[PC]
PC = PC + 4
Busca da instrução
Instrução de
desvio
incondicional
Instrução de
desvio
condicional
Instruções de referência à
memória
Instrução tipo RNome do passo
0
1
4
2
6
7 35
8 9
slide 6.3 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Máquina de Estados: 
busca e decodificação
ULAFonteA = 1
ULAFonteB = 00
ULAOp = 01
PCEscCond = 1
PCEsc = 0
FontePC = 01
Término do 
desvio 
condicional
8
ULAFonteA = 1
ULAFonteB = 10
ULAOp = 00
Cálculo do endereço 
de acesso à memória
2
3
4
5
LerMem = 1
IouD = 1
EscMem = 1
IouD = 1
EscReg = 1
MemParaReg = 1
RegDst = 0
Acesso à 
memória
Acesso à 
memória
Escrita no
registrador Rt
Op = ‘lw’
Op = ‘sw’
ULAFonteA = 1
ULAFonteB = 00
ULAOp = 10
Execução
6
7
RegDst = 1
EscReg = 1
MemParaReg = 0
Término da 
instrução tipo R
(escrita em Rd)
PCEsc = 1
FontePC = 10
Término do 
desvio 
incondicional
9
ULAFonteA = 0
ULAFonteB = 11
ULAOp = 00
LerMem = 1
ULAFonteA = 0
IouD = 0
IREsc = 1
ULAFonteB = 01
ULAOp = 00
PCEsc = 1
FontePC = 00
Busca da instrução
0
Decodificação da instrução/
Leitura dos registradores Rs e Rt
1
início
(Op =
 ‘lw’) 
OU (O
p = ‘s
w’)
Op
 = t
ipo
 R
O
p 
= 
‘be
q’
O
p 
=
 ‘j
um
p
’
slide 6.4 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Sinais de Controle do Bloco Operativo Multiciclo
32
Endereço
 DadoMem
Memória
PC
Dado a ser
escrito
M
U
X
0
1 Zero
Resultado
ULA
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
Dado 
lido #1
Dado
lido #2
Registradores
Registrador
de
instrução
Registrador
de dados
da
memória
A
B
ULA
Saída
32
[25-21]
[20-16]
[15-11]
M
U
X
0
1
[15-0]
M
U
X
0
1
M
U
X
0
1
2
3
M
U
X
0
1 Exten-
são de 
sinal
Desl.
à esq.
2 bits
4
3216
IouD
LerMem
EscMem
IREsc
Opera-
ção
da 
ULA
2
6
32
[5-0]
EscReg
RegDst
Controle
ULAOp
ULAFonteA
FontePCPCEscCond
PCEsc
MemParaReg
ULAFonteB 2
Desl.
à esq.
2 bits
M
U
X
0
1
2
26
[25-0]
[31-28]
26 28
4
PC+4
end.
desvio
cond.
end.
desvio
incond.
2
[31-0]
slide 6.5 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Projeto do Bloco de Controle com
Máquina de Estados
• Adequado no caso de máquinas com um número de estados
moderado
• É possível montar as tabelas-verdade e encontrar as equações
lógicas sem introduzir erro
slide 6.6 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Projeto do Bloco de Controle com
Microprogramação
 O conjunto completo de instruções do MIPS possui cerca de 100
instruções
 Instruções gastam de 1 a 20 ciclos de relógio para executar
 Controle será bastante complexo (sobretudo se comparado ao
controle projetado na aula passada)
 Em alguns processadores reais o conjunto de instruções
apresenta muitas classes (tipicamente, arquiteturas CISC):
 O controle pode precisar de milhares de estados
 Com centenas de diferentes seqüências
 Pode haver um grande número de opcodes válidos
slide 6.7 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Projeto do Bloco de Controle com
Microprogramação
 Nos casos citados, é pouco prático especificar o controle de
forma gráfica:
 Milhares de estados!
 Milhares de arcos!
 Um diagrama de estados que não cabe em uma página não é
inteligível…
slide 6.8 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Microprogramação
 Cada microinstrução define os valores dos sinais do bloco
operativo para um dado estado da máquina de estados
 Executar uma microinstrução significa ativar os sinais de
controle especificados pela microinstrução
 O seqüenciamento das microinstruções :
 Execução seqüencial é o default
 Um desvio precisa ser indicado explicitamente
 O mecanismo default normalmente é implementado por um
contador (seqüenciador)
slide 6.9 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Microprogramação
 Microprogramação: “é o projeto do controle como um
programa composto de estruturas mais simples denominadas
microinstruções”
 Idéia básica: representar simbolicamente os valores ativos das
linhas de controle, de modo que o microprograma seja uma
representação das microinstruções
slide 6.10 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Formato de uma Microinstrução
 Escolher quantos campos e quais sinais de controle são afetados
por cada campo
 Simplificar a representação
 (Se possível,) dificultar a escrita de microinstruções
inconsistentes
slide 6.11 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Sinais de Controle do Bloco Operativo Multiciclo
32
Endereço
 DadoMem
Memória
PC
Dado a ser
escrito
M
U
X
0
1 Zero
Resultado
ULA
Reg a ser
lido #1
Reg a ser
lido #2
Reg a ser
escrito
Dado de
escrita
Dado 
lido #1
Dado
lido #2
Registradores
Registrador
de
instrução
Registrador
de dados
da
memória
A
B
ULA
Saída
32
[25-21]
[20-16]
[15-11]
M
U
X
0
1
[15-0]
M
U
X
0
1
M
U
X
0
1
2
3
M
U
X
0
1 Exten-
são de 
sinal
Desl.
à esq.
2 bits
4
3216
IouD
LerMem
EscMem
IREsc
Opera-
ção
da 
ULA
2
6
32
[5-0]
EscReg
RegDst
Controle
ULAOp
ULAFonteA
FontePCPCEscCond
PCEsc
MemParaReg
ULAFonteB 2
Desl.
à esq.
2 bits
M
U
X
0
1
2
26
[25-0]
[31-28]
26 28
4
PC+4
end.
desvio
cond.
end.
desvio
incond.
2
[31-0]
slide 6.12 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Formato de uma Microinstrução parao MIPS
Cada Microinstrução Contém 7 Campos:
Especifica como escolher a próxima microinstrução a ser
executada
seqüenciamento
Especifica escrita no PCControle do PCEsc
Especifica uma leitura ou uma escrita na memória, e a fonte. No
caso de uma leitura, especifica o registrador-destino.
Memória
Especifica uma leitura ou uma escrita no banco de registradores, e
a fonte do valor a ser escrito
Controle do registrador
Especifica a fonte do segundo operando da ULASRC2
Especifica a fonte do primeiro operando da ULASRC1
Especifica a operação a ser realizada na ULA neste ciclo de clock.
Resultado sempre escrito em ULASaída
Controle da ULA
Função do CampoNome do Campo
Os sinais que nunca estão ativos ao mesmo tempo devem compartilhar
um mesmo campo
slide 6.13 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Implementação Física
 As microinstruções são armazenadas em uma ROM ou uma
PLA
 Portanto, cada microinstrução tem um endereço
 Os endereços são seqüenciais
slide 6.14 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Implementação do Microprograma
 Existem 3 possibilidades para escolha da próxima microinstrução
a ser executada:
1. Incrementar o endereço da microinstrução corrente (indicado por
“seq”)
2. Desviar para a microinstrução que começa a execução da próxima
instrução (indicada por “Busca”, corresponde ao estado 0 da versão
FSM)
3. Escolher a próxima microinstrução com base na entrada do bloco de
controle (indicada por “despacho”)
slide 6.15 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
 Em geral, as operação de “despacho” são implementadas a
partir de uma tabela que:
 contém os endereços das microinstruções-alvo
 é indexada pela entrada do bloco do controle
 pode ser implementada em uma ROM ou uma PLA
 Podem existir diversas tabelas de “despacho”
Implementação do Microprograma
slide 6.16 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
 Na implementação do controle microprogramado do MIPS
iremos precisar de duas tabelas de “despacho”:
 Uma para despachar a partir do estado 1
 Outra para despachar a partir do estado 2
 Despacho i (onde i é o número da tabela a ser usada)
Implementação do Microprograma
slide 6.17 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Formato de uma Microinstrução
Usa a constante 4 como entrada inferior da ULA4SRC2
Usa a saída da unidade de extensão de sinal como entrada inferior
da ULA
Estendido
O Registrador B é a entrada inferior da ULAB
Usa PC como entrada superior da ULAPCSRC1
Faz com que a ULA someSoma
Faz com que a ULA subtraia (usado para implementar a
comparação para os desvios condicionais)
SubtraçãoControle da ULA
Usa o campo “funct” da instrução para definir o controle da ULACódigofunct
Usado para especificar nomes para controlar o seqüenciamento.
Tais nomes devem terminar em “1” ou em “2” e são usados para
despacho, usando uma tabela indexada pelos bits do opcode.
Qualquer stringidentificação
Nome do Campo
Usa a saída da unidade de deslocamento de 2 bits como entrada
inferior da ULA
Estendido_desloc
O Registrador A é a entrada superior da ULAA
Função do campo, com valor específicoValores possíveis
slide 6.18 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Formato de uma Microinstrução
Escolhe a próxima microinstrução seqüencialmente.Seq
Desvia para a primeira microinstrução para iniciar nova instruçãoBuscaSeqüenciamento
Escreve a saída da ULA no PC.ULA
Se o flag de zero da ULA estiver ativo, atualiza o PC com o
conteúdo de ULASaída.
ULASaída_CondControle do
PCEsc
Lê a memória usando o PC como endereço; o resultado é escrito no
RI (e no RDM).
Leitura a partir do PC
Lê a memória usando o conteúdo de ULASaída como endereço; o
resultado é escrito no no RDM.
Leitura a partir da ULAMemória
Escreve no banco de registradores usando o campo Rd do RI; o
dado a ser escrito se encontra no registrador temporário ULASaída.
Escrita a partir da ULAControle do
registrador
Lê dois registradores usando os campos Rs e Rt do RI, colocando
seus valores nos registradores temporários A e B.
Leitura
Nome do Campo
Despacha usando a ROM i(1 ou 2)Despacho i
Atualiza o PC com o endereço de desvio incondicional.
Endereço de desvio
incondicional
Escreve na memória usando o conteúdo de ULASaída como
endereço e o conteúdo de B como dado.
Escrita a partir da ULA
Escreve no banco de registradores usando o campo Rt do RI; o
dado a ser escrito se encontra no RDM.
Escrita a partir do RDM
Função do campo, com valor específicoValores possíveis
slide 6.19 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Criação de um Microprograma
 Situações em que um campo de microinstrução fica em branco:
 Campo que controla uma unidade funcional ou um elemento de
armazenamento: nenhum sinal de controle deve estar ativo
 Campo que especifica somente o controle de um multiplexador:
do’t care
slide 6.20 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
SeqULALeitura a partir do PC4PCSomaBusca
Memória
despacho1LeituraEstendido_deslocPCSoma
seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle da
ULA
identificação
Criação de um Microprograma
Vai para a próxima microinstrução (seqüencial).Seqüenciamento
Faz com que a saída da ULA seja escrita no PC.Controle de EscPC
Busca instrução e carrega no RI.Memória
Calcula PC+4 (o valor é também escrito em ULASaída, apesar de nunca ser lido deste
registrador).
Controle da ULA, SRC1,
SRC2
EfeitoCampos
Analisando os campos da primeira microinstrução…
 Busca da Instrução; PC+4
 Decodificação; cálculo do endereço-alvo (beq)
slide 6.21 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
 Busca da Instrução; PC+4
 Decodificação; cálculo do endereço-alvo (beq)
Criação de um Microprograma
Usa a tabela de despacho 1 para encontrar o endereço da próxima microinstrução.Seqüenciamento
Usa os campos Rs e Rt para ler os registradores, colocando os valores lidos em A e B.
Controle dos
registradores
Armazena PC+(extensão de sinal(RI[15-0] << 2) em ULASaída.
Controle da ULA, SRC1,
SRC2
EfeitoCampos
Analisando os campos da segunda microinstrução…
SeqULALeitura a partir do PC4PCSomaBusca
Memória
despacho1LeituraEstendido_deslocPCSoma
seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle da
ULA
identificação
slide 6.22 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
SeqLeitura a partir da ULALW2
BuscaEscrita a partir do RDM
despacho2EstendidoAAddMem1
Escrita a partir da ULA
Memória
BuscaSW2
seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle
da ULA
identificação
Criação de um Microprograma
Usa a tabela de despachos 2 para para desviar para a microinstrução identificada por
“LW2” ou “SW2”.
Seqüenciamento
Calcula o endereço de acesso à memória: Registrador(Rs) + extensão de sinal( RI[15-0]).
Escreve o resultado em ULASaída.
Controle da ULA, SRC1,SRC2
EfeitoCampos
 Execução de sw/lw
slide 6.23 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
SeqLeitura a partir da ULALW2
BuscaEscrita a partir do RDM
despacho2EstendidoASomaMem1
Escrita a partir da ULA
Memória
BuscaSW2
seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle
da ULA
identificação
Criação de um Microprograma
Vai para a próxima microinstrução (seqüencial).Seqüenciamento
Lê da memória usando ULASaída como endereço. Escreve o dado lido em RDM.Memória
EfeitoCampos
 Execução de sw/lw
slide 6.24 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
SeqLeitura a partir da ULALW2
BuscaEscrita a partir do RDM
despacho2EstendidoASomaMem1
Escrita a partir da ULA
Memória
BuscaSW2
seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle
da ULA
identificação
Criação de um Microprograma
Desvia para a microinstrução identificada como “Busca”.Seqüenciamento
Escreve o conteúdo do RDM na entrada do banco de registradores especificada por Rt.
Controle dos
registradores
EfeitoCampos
 Execução de sw/lw
slide 6.25 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
 Execução de sw/lw
SeqLeitura a partir da ULALW2
BuscaEscrita a partir do RDM
despacho2EstendidoASomaMem1
Escrita a partir da ULA
Memória
BuscaSW2
seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle
da ULA
identificação
Criação de um Microprograma
Desvia para a microinstrução identificada como “Busca”.Seqüenciamento
Escreve na memória usando o conteúdo de ULASaída como endereço e o conteúdo de B
como dado.
Memória
EfeitoCampos
slide 6.26 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
SeqBACódigo functRformat1
Memória
BuscaEscrita a partir da ULA
seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle da
ULA
identificação
Criação de um Microprograma
Vai para a próxima microinstrução (seqüencial).Seqüenciamento
ULA recebe como operandos os conteúdos dos registradores A e B. A operação a ser
realizada é definida pelo campo “funct”.
Controle da ULA, SRC1,
SRC2
EfeitoCampos
 Execução formato R
slide 6.27 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
SeqBACódigo functRformat1
Memória
BuscaEscrita a partir da ULA
seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle da
ULA
identificação
Criação de um Microprograma
Desvia para a microinstrução identificada como “Busca”.Seqüenciamento
O Conteúdo de ULASaída é escrito no registrador cujo endereço está especificado pelo
campo Rd.
Controle dos
registradores
EfeitoCampos
 Execução formato R
slide 6.28 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
BuscaULASAída_CondBASubtraçãoBEQ1
Memória seqüenciamento
Controle de
EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle da
ULA
identificação
Criação de um Microprograma
ULA recebe como operandos os conteúdos dos registradores A e B. A operação a ser
realizada é subtração.
Controle da ULA, SRC1,
SRC2
Desvia para a microinstrução identificada como “Busca”.Seqüenciamento
Faz com que o PC seja escrito usando o valor armazenado em ULASaída, se a saída zero
da ULA for verdadeira.
Controle de escrita no
PC
EfeitoCampos
 Execução beq
slide 6.29 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
BuscaEndereço de desvioincondicionalJUMP1
Memória seqüenciamentoControle de EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle da
ULA
identificação
Criação de um Microprograma
Desvia para a microinstrução identificada como “Busca”.Seqüenciamento
Faz com que o PC seja escrito com o valor do endereço-alvo de desvio incondicional.
Controle de escrita no
PC
EfeitoCampos
 Execução jump
slide 6.30 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
BuscaEndereço de desvioincondicionalJUMP1
BuscaULASAída_CondBASubtraçãoBEQ1
SeqBACódigofunctRformat1
BuscaEscrita a partirda ULA
BuscaLeitura a partir da ULASW2
SeqULALer a partir do PC4PCAddBusca
despacho1LeituraEstendido_deslocPCAdd
SeqLeitura a partir da ULALW2
BuscaEscrita a partirdo RDM
despacho2EstendidoAAddMem1
Memória seqüenciamentoControle de EscPC
Controle dos
registradores
SRC2SRC1
Controle
da ULA
identificação
Microprograma Completo
slide 6.31 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Implementação da Microprogramação
 O Mapeamento de um microprograma em hardware envolve
dois aspectos:
 A decisão sobre como implementar a função de seqüenciamento
 A escolha do método para armazenar as funções do controle
principal
 O microprograma pode ser imaginado como sendo uma
representação textual de uma máquina de estados, com:
slide 6.32 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Implementação da Microprogramação
Memória de
Microcódigo
Entrada
(endereço)
saídas
Contador de
microprograma
Lógica de seleção
De endereços
+
1
OPCODE
Sinais de controle
(para o bloco operativo)
slide 6.33 Prof. José Luís Güntzel
2. Organizações do MIPS: multiciclo
ComputaçãoUFPel
Arquitetura e Organização de Computadores II
Lógica de Seleção de Endereços
Use o estado incrementado3
Tabela de despacho 22
Tabela de despacho 11
Vá para a busca (estado 0)0
ação
Valor de
EndCtl
EndCtl
+
1
Tabela de
despacho 2
Tabela de
despacho 1
3 2 1 0
MUX
0
Para ROM de
microprograma
OPCODE
Contador de
microprograma