Aula 7

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Organização de Computadores I
DCC006
Prof. Omar Paranaiba Vilela Neto
Aula 7 – O Processador: Data Path e 
Controle
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• Nós veremos a implementação do MIPS
• Simplificado contendo somente:
– instruções de referência a memória: lw, sw 
– instruções lógico-aritméticas: add, sub, and, or, slt
– instruções de controle de fluxo: beq, j
• Implementação Genérica:
– uso do contador de programa (PC) para endereçar instruções 
– busca de instruções da memória
– leitura de registradores
– uso de instruções para decidir exatamente o que fazer
• Todas as instruções usam a ALU após a leitura dos registradores
Como? Referência a memória? aritmética? controle de fluxo?
O Processador: Datapath & Controle
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• Abstração / Vista Simplificada:
• Dois tipos de unidades funcionais:
– elementos que operam com valores (combinatório)
– elementos que contém estados (sequenciais)
Mais Detalhes de Implementação
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• Unclocked vs. Clocked
• Clocks usados em lógica síncrona 
– Quando o elemento que contém o o estado poderia ser atualizado?
cycle time
Transição de subida
Transição de descida
Elementos de Estado
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• Latch set-reset ( RS )
– Saídas dependem das entradas presentes e do passado
Elemento de Estado Unclocked
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• Saída é igual ao valor armazenado no elemento
(não é necessário permissão para ler o valor)
• Mudança de estado (valor) é baseada no clock
• Latches: entradas mudam, e o clock é validado
• Flip-flop: estados mudam somente na borda do clock
(edge-triggered metodologia)
"Logicamente verdadeiro", 
— pode significar eletricamente baixo
Uma metodologia de clock define quando os sinais podem ser lidos e escritos
— Nunca devemos ler um sinal ao mesmo tempo que ele esta sendo escrito
Latches e Flip-flops
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• Duas entradas:
– o dado a ser armazenado (D)
– o sinal de clock (C) indicando quando ler & armazenar D
• Duas saídas:
– O valor do estado interno (Q) e seu complemento
D-latch
Q
C
D
_
Q
D
C
Q
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Flip-flop D
• Saídas mudam somente na transição do clock 
QQ
_
Q
Q
_
Q
D
latch
D
C
D
latch
DD
C
C
D
C
Q
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Nossa Implementação
• Metodologia de acionamento por transição
• Execução típica:
– Ler conteúdos dos vários elementos de estado, 
– Enviar valores através da lógica combinatória
– Escrever resultados em um ou mais elementos de estado
Clock cycle
State
element
1
Combinational logic
State
element
2
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• Construindo usando flip-flops D
Registradores
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• Como são os multiplexadores:
Registradores
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Registradores
• Nota: nós usamos o clock real para determinar quando escrever
n-to-1
decoder
Register 0
Register 1
Register n – 1
C
C
D
D
Register n
C
C
D
D
Register number
Write
Register data
0
1
n – 1
n
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Implementação Simples
Pergunta importante
Quais os componentes necessários 
para o MIPS?
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Implementação Simples
• 1 – Para a busca de instruções
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Implementação Simples
• 2 – Para instruções do tipo R
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Implementação Simples
• 3 – Para instruções de load e store
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Implementação Simples
• Inclusão das unidades funcionais necessárias para cada instrução
PC
Instruction
memory
Instruction
address
Instruction
a. Instruction memory b. Program counter
Add Sum
c. Adder
ALU control
RegWrite
Registers
Write
register
Read
data 1
Read
data 2
Read
register 1
Read
register 2
Write
data
ALU
result
ALU
Data
Data
Register
numbers
a. Registers b. ALU
Zero
5
5
5 3
16 32
Sign
extend
b. Sign-extension unit
MemRead
MemWrite
Data
memory
Write
data
Read
data
a. Data memory unit
Address
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Integração do Datapath
• Uso de multiplexadores
PC
Instruction
memory
Read
address
Instruction
16 32
Add ALUresult
M
u
x
Registers
Write
register
Write
data
Read
data 1
Read
data 2
Read
register 1
Read
register 2
Shift
left 2
4
M
u
x
ALU operation3
RegWrite
MemRead
MemWrite
PCSrc
ALUSrc
MemtoReg
ALU
result
Zero
ALU
Data
memory
Address
Write
data
Read
data M
u
x
Sign
extend
Add
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