ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΑΥΤΟΜΑΤΗΣ ΕΞΑΓΩΓΗΣ ΚΩΔΙΚΑ VHDL

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΡΑΔΙΟΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΑΥΤΟΜΑΤΗΣ ΕΞΑΓΩΓΗΣ ΚΩΔΙΚΑ VHDL Παπαδόπουλος Ματθαίος 1 Επιβλέπων :Σ.Νικολαιδης Ακαδημαϊκό έτος:

2 Αντικειμενικός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός πρωτότυπου εργαλείου λογισμικού για την εξαγωγή κώδικα VHDL (με εντολές επιπέδου RTL) από γράφο CDFG που περιγράφεται με την βοήθεια του λογισμικού Graphviz. Οι εντολές RTL είναι εντολές επιπέδου καταχωρητών (μεταφοράς, ολίσθησης αριθμητικές και λογικές πράξεις) και ένα σύνολο τέτοιου είδους εντολών αποτελεί μικροπρογράμματα που αποθηκεύονται στην μνήμη ενός συστήματος και περιγράφουν τις λειτουργίες που πρέπει να εκτελέσει ένας επεξεργαστής. Αυτά συχνά αντιστοιχούν και σε αλγορίθμους που πρέπει να έχουν την δυνατότητα να εκτελέσουν επεξεργαστές ειδικού σκοπού. Μια πράξη (μαθηματική αριθμητική ή λογική) είναι δυνατό να απαιτεί ένα σύνολο (παραπάνω δηλαδή από μια) εντολών RTL. Κάθε μια πράξη αποτελεί έναν τελεστή κόμβο στο γράφο CDFG, που περιγράφει αλγορίθμους τους οποίους απαιτείται να εκτελεί ένας επεξεργαστής και περιγράφεται από έναν κώδικα γραμμένο σε γλώσσα περιγραφής υλικού (VHDL). Οι πράξεις στο σύνολο τους συνθέτουν έναν γράφο ο οποίος περιγράφεται μέσω του λογισμικού Graphviz. Το λογισμικό αυτό δίνει την δυνατότητα στο χρήστη του συνθέτοντας έναν γράφο σε μια γλώσσα (της μορφής DOT), να εξάγει έναν γράφο που ήδη έχει περιγραφεί στην παραπάνω γλώσσα, παρέχοντας μια ευρεία ποικιλία χαρακτηριστικών εμπλουτισμού αυτού του γράφου. Σχετικά με το παραπάνω λογισμικό, περιγραφή των δυνατοτήτων του και παραδείγματα δίνονται αναλυτικά στο κεφάλαιο 4 της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Το εργαλείο που αναπτύχθηκε και περιγράφεται αναλυτικά στην παρούσα διπλωματική εργασία, έχει τη δυνατότητα λαμβάνοντας ως είσοδο το αρχείο περιγραφής του γράφου στην μορφή που ήδη αναφέρθηκε (αρχείο.dot) και τα αρχεία περιγραφής των τελεστών σε γλώσσα VHDL, να εξάγει κώδικα που περιγράφει το ψηφιακό σύστημα που είναι ικανό να εκτελέσει με επιτυχία τον αλγόριθμο που περιγράφει ο παραπάνω γράφος. Στο κεφάλαιο 2 της διπλωματικής εργασίας περιγράφονται βασικές έννοιες της σύνθεσης κυκλωμάτων από το επίπεδο μεταφοράς καταχωρητών. Συγκεκριμένα αφού περιγραφούν οι διάφορες εντολές RTL που μπορεί να συναντήσει κανείς γενικά και κάποιες περισσότερο ειδικές εντολές (για τις οποίες και έχει προσαρμοστεί το εργαλείο), περιγράφονται η οργάνωση ενός διαύλου δεδομένων και μιας μονάδας ελέγχου στο επίπεδο αυτό και στην συνέχεια δίνεται μια αναλυτική καταγραφή των εξαρτήσεων δεδομένων και ελέγχου στο επίπεδο εντολών μεταφοράς καταχωρητών δίνοντας και ένα αναλυτικό παράδειγμα για τον τρόπο προσέγγισης προκειμένου να εξαχθούν διάδρομος δεδομένων και μονάδα ελέγχου από έναν κατευθυνόμενο γράφο CDFG. Επίσης παρουσιάζεται και πρόταση βελτιστοποίησης της μονάδας ελέγχου με βάση την παράμετρο της επιφάνειας του ψηφιακού κυκλώματος. Στο κεφάλαιο 3 δίνεται συνοπτικά μια περιγραφή της αρχιτεκτονικής SUIFvm επεξεργαστών ειδικού σκοπού. Στο κεφάλαιο 5 της εργασίας δίνεται αναλυτικά η περιγραφή του πηγαίου κώδικα του εργαλείου όσο το δυνατό πιο κατανοητά κάνοντας χρήση των γράφων και των διαγραμμάτων γράφων, σε μια προσπάθεια να απεικονιστεί η δομή του κώδικα και τα επιμέρους κομμάτια του. Στο κεφάλαιο 6 δίνονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για διαφορετικούς γράφους καθώς και τα συμπεράσματα για το εργαλείο. 2

3 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΑΠΟ ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΩΝ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά ένα ψηφιακό σύστημα είναι ένα ακολουθιακό κύκλωμα που αποτελείται από ένα μεγάλο πλήθος πυλών και flip flops (δισταθείς πολυδονητές) που διασυνδέονται μεταξύ τους. Είναι όμως πολύ δύσκολο να καθοριστεί και να σχεδιαστεί ένα μεγάλο ψηφιακό σύστημα μόνο μέσω του απλού τρόπου του πίνακα καταστάσεων καθώς ο αριθμός των καταστάσεων είναι υπερβολικά μεγάλος και ένα τέτοιο εγχείρημα είναι προφανώς σχεδόν ανέφικτο. Έτσι για να ξεπεραστεί αυτός ο σκόπελος τα ψηφιακά συστήματα σχεδιάζονται χρησιμοποιώντας μια δομημένη και ιεραρχική προσέγγιση. Το σύστημα επιμερίζεται σε δομημένα υποσυστήματα, καθένα από τα οποία εκτελεί κάποιου είδους λειτουργία (ή σύνολο λειτουργιών). Οι μονάδες αυτές κατασκευάζονται ιεραρχικά από μπλοκ λειτουργιών όπως καταχωρητές, μετρητές, αποκωδικοποιητές, πολυπλέκτες, διαύλους, στοιχεία εκτέλεσης αριθμητικών πράξεων (π.χ. αθροιστές), πύλες και flip flops. Διασυνδέοντας τα διάφορα υποσυστήματα μέσω σημάτων ελέγχου και πληροφοριών ολοκληρώνουν την σχεδίαση ενός ψηφιακού συστήματος. Συνήθως ένα ψηφιακό σύστημα αποτελείται από δυο μονάδες: 1) Τον χειριστή δεδομένων (datapath) που εκτελεί την επεξεργασία 2) Την μονάδα ελέγχου (control unit) που συντονίζει (κατευθύνει και ελέγχει) την επεξεργασία Τα σήματα ελέγχου είναι δυαδικά σήματα που ενεργοποιούν διάφορες λειτουργίες επεξεργασίας πληροφοριών. Για να ενεργοποιηθεί μια τέτοια ακολουθία λειτουργιών, η μονάδα ελέγχου στέλνει την κατάλληλη ακολουθία σημάτων ελέγχου στο datapath. Η μονάδα ελέγχου δέχεται στη συνέχεια τα δυαδικά σήματα κατάστασης (status bits), από το datapath. Αυτά τα σήματα κατάστασης περιγράφουν 3

4 την συνολική κατάσταση που βρίσκεται το datapath. Η μονάδα ελέγχου χρησιμοποιεί τα σήματα αυτά για να καθορίσει την ακολουθία των λειτουργιών που πρέπει να εκτελεστούν. Αξίζει να σημειωθεί ότι το datapath και η μονάδα ελέγχου επικοινωνούν και με άλλα μέρη ενός ψηφιακού συστήματος όπως η μνήμη και οι λογικές μονάδες εισόδου εξόδου μέσω των σημάτων που φαίνονται στο σχήμα ως είσοδοι και έξοδοι δεδομένων, είσοδοι και έξοδοι μονάδας ελέγχου. Το datapath καθορίζεται από τους καταχωρητές και τις λειτουργίες που εκτελούνται στα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στους καταχωρητές. Οι καταχωρητές θεωρούνται ότι είναι βασικά εξαρτήματα ενός ψηφιακού συστήματος. Η μετακίνηση και μεταφορά των δεδομένων που είναι αποθηκευμένα στους καταχωρητές και η επεξεργασία τους αναφέρονται ως λειτουργίες μεταφοράς καταχωρητών (RTL register transfer level operations). Οι λειτουργίες αυτές των ψηφιακών συστημάτων προσδιορίζονται από τρία βασικά στοιχεία : 1) Τη θέση και το σύνολο των καταχωρητών στο σύστημα 2) Τις λειτουργίες που εκτελούνται στα αποθηκευμένα δεδομένα στους καταχωρητές (είδος επεξεργασίας των δεδομένων) 3) Τον έλεγχο που επιβλέπει την ακολουθία των λειτουργιών στο σύστημα Συνήθως ένας καταχωρητής μπορεί να συμμετέχει στην πραγματοποίηση μιας ή περισσοτέρων στοιχειωδών λειτουργιών όπως φόρτωση δεδομένων, αριθμητικές λειτουργίες, ολίσθηση Οι λειτουργίες αυτές είναι οι γνωστές μικρολειτουργίες και συνήθως εκτελούνται παράλληλα σε ένα σύνολο από bits κατά την διάρκεια ενός κύκλου ρολογιού. Επιπλέον το αποτέλεσμα κάποιας πράξης ή γενικότερα λειτουργίας μπορεί να μεταφερθεί σε άλλον καταχωρητή, αφήνοντας αμετάβλητα τα προηγούμενα δεδομένα. Η μονάδα ελέγχου παρέχει σήματα που καθορίζουν την αλληλουχία αυτών των μικρολειτουργιών. Ανάλογα το αποτέλεσμα μιας μικρολειτουργίας μπορεί να καθορίζει και τη ροή των σημάτων ελέγχου αλλά και των επόμενων μικρολειτουργιών. 2.2 ΤΕΛΕΣΤΕΣ ΕΝΤΟΛΩΝ RTL ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΩΝ 4

5 Οι λειτουργίες που εκτελούνται στο επίπεδο καταχωρητών χωρίζονται ουσιαστικά σε τέσσερις βασικές κατηγορίες : 1) Λειτουργίες μεταφοράς δεδομένων μεταξύ των καταχωρητών 2) Αριθμητικές πράξεις λειτουργίες στα δεδομένα 3) Λογικές πράξεις λειτουργίες στα δεδομένα 4) Λειτουργίες ολίσθησης των δεδομένων Κάθε κατηγορία λειτουργιών περιλαμβάνει και τις αντίστοιχες υπό συνθήκη λειτουργίες. Τελεστές λειτουργίες μεταφοράς δεδομένων Στην κατηγορία αυτή λειτουργιών τελεστών περιλαμβάνονται οι λειτουργίες που αφορούν την μεταφορά δεδομένων από έναν καταχωρητή πηγή σε έναν καταχωρητή προορισμό. Αυτή η λειτουργία έχει τον συμβολισμό R1->R2, όπου ο πρώτος καταχωρητής R1 είναι η πηγή και ο δεύτερος καταχωρητής είναι ο προορισμός R2. Αυτή φυσικά η λειτουργία υλοποιείται μέσω ακολουθιακού κυκλώματος αφού συγχρονίζεται με το ρολόι. Οι έξοδοι της πηγής είναι συνδεδεμένοι με τις εισόδους του προορισμού (αναφερόμαστε σε όλο το πλήθος των bits) και η μεταφορά των δεδομένων πραγματοποιείται με την άνοδο του ρολογιού ( μετάβαση 0->1) ή την κάθοδο του ( μετάβαση 1->0), ανάλογα αν τα flip flops των καταχωρητών διεγείρονται από την θετική ή την αρνητική ακμή του ρολογιού αντίστοιχα. Φυσικά τα ρολόγια και των δυο καταχωρητών είναι συγχρονισμένα (συχνά έχουν το ίδιο ρολόι). Το σήμα ελέγχου load συντονίζει την μεταφορά των δεδομένων μεταξύ των δυο καταχωρητών αφού είναι ενεργό στον κύκλο ρολογιού που συντελείται η μεταφορά αυτή και στον επόμενο κύκλο ρολογιού απενεργοποιείται. Στο σχήμα 2.2 δίνεται γραφικά η παραπάνω λειτουργία ενώ στο παράρτημα Α δίνεται ο κώδικας σε γλώσσα VHDL του τελεστή λειτουργίας (κώδικας Α.1) και το όνομα αυτού του τελεστή δίνεται ως reg_dw. Αξίζει να σημειωθεί ότι μετά την ολοκλήρωση της λειτουργίας αυτής δεν υπάρχει αλλαγή στα περιεχόμενα του πρώτου καταχωρητή λόγω της μετακίνησης των δεδομένων. 5

6 Σχήμα 2.1 Απεικόνιση του τελεστή μεταφοράς δεδομένων μεταξύ καταχωρητών Στο παράρτημα Α δίνεται και ένας ακόμη τελεστής (mov) μεταφοράς δεδομένων περισσότερος απλός από τον προαναφερθέντα τελεστή καθώς δεν συμπεριλαμβάνει άλλα σήματα πέρα από τα δεδομένα που μεταφέρονται μετά την αλλαγή των δεδομένων στην είσοδο του καταχωρητή κατευθείαν (στον ίδιο κύκλο ρολογιού) στην έξοδο χωρίς να αναμένεται η άνοδος ή η κάθοδος του παλμού του ρολογιού (κώδικας Α.2 ). Όσον αφορά τους τελεστές λειτουργίες μεταφοράς δεδομένων μεταξύ των καταχωρητών υπό συνθήκη δίνονται στο παράρτημα Α οι κώδικες τριών τέτοιου τύπου τελεστών. Στον πρώτο από αυτούς, εξετάζεται ως συνθήκη ένα σήμα ( select signal ) και ανάλογα με την τιμή του αποφασίζεται αν στην έξοδο (τελικό περιεχόμενο του καταχωρητή) θα μεταφερθεί η μια ή η άλλη είσοδος του. Αυτός ο τελεστής λειτουργεί ουσιαστικά ως πολυπλέκτης με το select signal να παίζει τον ρόλο του σήματος επιλογής. Ο κώδικας αυτού του τελεστή δίνεται στο παράρτημα Α.3 (select) και η λειτουργία του απεικονίζεται στο σχήμα

7 Σχήμα 2.2 Απεικόνιση του τελεστή μεταφοράς δεδομένων υπό συνθήκη σήματος επιλογής Επιπλέον δυο άλλοι τελεστές υπό συνθήκη δίνονται στο παράρτημα στους κώδικες Α.4 και Α.5 (min, max). Στον πρώτο από τους δυο αυτούς τελεστές επιλέγεται, μέσω της σύγκρισης που υποβάλλονται οι είσοδοί του, να περάσει στην έξοδο του η μικρότερη είσοδος ενώ στον δεύτερο τελεστή η μεγαλύτερη από τις εισόδους μεταφέρεται στην έξοδο. Ουσιαστικά οι δυο αυτοί τελεστές απαιτούν σύγκριση των δεδομένων που βρίσκονται σε καταχωρητές πηγής (και συνδέονται άμεσα με τις εισόδους του καταχωρητή προορισμού) και έτσι ανήκουν στο υποσύνολο αυτής της κατηγορίας λειτουργιών που αφορά την σύγκριση. Τέλος ένας ακόμη τελεστής μεταφοράς, χωρίς συνθήκη όμως, είναι η μεταφορά της τιμής μιας αριθμητικής σταθεράς σε καταχωρητή (ldc). Αυτή η τιμή μεταφέρεται απευθείας στον καταχωρητή και δεν αναμένει κάποιο παλμό ρολογιού για την μεταφορά. Ο κώδικας αυτής της εντολής δίνεται στο παράρτημα Α.6. Αριθμητικοί τελεστές - λειτουργίες Στην κατηγορία αυτή ανήκουν όλες οι λειτουργίες που αφορούν τις αριθμητικές πράξεις που τελούνται στα δεδομένα και επιπλέον θα αναφερθούν και κάποιοι πιο προχωρημένοι τελεστές που υλοποιούνται. Υπάρχουν πέντε βασικές αριθμητικές λειτουργίες τελεστές : 1) Πρόσθεση δεδομένων δυο καταχωρητών 2) Αφαίρεση δεδομένων δυο καταχωρητών 3) Αύξηση των δεδομένων καταχωρητή κατά ένα 4) Μείωση των δεδομένων καταχωρητή κατά ένα 5) Πράξη συμπληρώματος των δεδομένων καταχωρητή 7

8 Στο παράρτημα Α δίνονται οι κώδικες για τις δυο πρώτες λειτουργίες (δηλαδή της πρόσθεσης και της αφαίρεσης Α.7 και Α.8 αντίστοιχα), ενώ η τρίτη και τέταρτη λειτουργία μπορούν να προκύψουν εύκολα από τις δυο πρώτες. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αφαίρεση πραγματοποιείται συνήθως λαμβάνοντας το συμπλήρωμα ως προς δυο του αφαιρέτη και στη συνέχεια προσθέτοντας αυτό και την μονάδα στον αφαιρετέο. Οι πράξεις του πολλαπλασιασμού (mul) και της διαίρεσης (div) προκύπτουν από μια ακολουθία λειτουργιών από τις βασικές πέντε λειτουργίες και οι κώδικες τους δίνονται στο παράρτημα Α.9 και Α.10. Αξίζει να σημειωθεί ότι το αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού πρέπει να αποθηκεύεται σε καταχωρητή μεγέθους ίσου με το άθροισμα των μεγεθών των δυο καταχωρητών τελεστέων. Τρεις επιπλέον τελεστές, ο πρώτος αφορά το υπόλοιπο της διαίρεσης (rem) και ο δεύτερος αφορά την απόλυτη τιμή ενός αριθμού εισόδου του καταχωρητή (abs) και υλοποιείται ελέγχοντας το πρόσημο MSB bit της εισόδου και το τρίτος αφορά την μετατροπή ενός θετικού (μη προσημασμένου αριθμού) σε αρνητικό αριθμό (neg) δίνονται στο παράρτημα (κώδικες Α.11, Α.12 και Α.13 αντίστοιχα). Αξίζει να σημειωθεί ότι στους δυο τελεστές που αφορούν την διαίρεση (div, rem) δηλαδή τον τελεστή διαίρεσης και τον τελεστή υπολοίπου στην έξοδο του κυκλώματος που υλοποιεί τον τελεστή υπάρχει και ένα σήμα ενός μόλις ψηφίου (σήμα ελέγχου) έτσι ώστε να είναι δυνατό να ελεγχθεί εάν προέκυψε σφάλμα στην διαίρεση (το σφάλμα ενεργοποιείται 1 ) στην περίπτωση που ο διαιρέτης είναι το μηδέν. Στο σχήμα 2.4 δίνεται το μπλοκ διάγραμμα των τελεστών (δίνεται το διάγραμμα του τελεστή του υπολοίπου αλλά παρόμοιο είναι και το διάγραμμα του τελεστή της διαίρεσης). 8

9 Σχήμα 2.3 Απεικόνιση του τελεστή υπολοίπου διαίρεσης Λογικοί τελεστές - λειτουργίες Στην κατηγορία αυτή ανήκουν όλοι οι τελεστές που επιτελούν λογικές πράξεις ξεχωριστά σε κάθε ψηφίο των δεδομένων των καταχωρητών. Οι τέσσερις βασικές λειτουργίες τελεστές είναι οι εξής : 1) Τελεστής άρνησης not 2) Τελεστής τομής and 3) Τελεστής ένωσης or 4) Τελεστής αποκλειστικού or xor Είναι εύκολες στην κυκλωματική τους υλοποίηση καθώς συνήθως αντιστοιχεί μια πύλη για κάθε ψηφίο. Οι λογικές λειτουργίες τελεστές εκτός από τις προφανείς τους χρήσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αλλάξουν τις τιμές των ψηφίων, να μηδενίσουν ομάδες ψηφίων ή να θέσουν νέες τιμές στα ψηφία ενός καταχωρητή. Ο τελεστής του λογικού and μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον επιλεκτικό μηδενισμό των ψηφίων ενός καταχωρητή. Έτσι στον καταχωρητή που θα λάβει το αποτέλεσμα ένας αριθμός από ψηφία του καταχωρητή πηγής θα μηδενιστούν ενώ τα υπόλοιπα θα είναι ταυτόσημα με αυτά της πηγής. Αυτό επιτυγχάνεται με την λογική αυτή πράξη μεταξύ του καταχωρητή πηγής και ενός αριθμού με μηδενισμένα ψηφία στα αντίστοιχα ψηφία του καταχωρητή και μονάδα στα υπόλοιπα 9

10 ψηφία. Αντίστοιχα ο λογικός τελεστής or για να θέσει κάποια ψηφία ενός καταχωρητή στην λογική μονάδα, κάνοντας την πράξη μεταξύ ενός καταχωρητή πηγής και ενός αριθμού με λογική μονάδα στα ψηφία που είναι επιθυμητό να είναι μονάδα στον καταχωρητή προορισμού ενώ θα έχει λογικό μηδέν στα υπόλοιπα ψηφία ( και τα αντίστοιχα ψηφία του καταχωρητή προορισμού θα είναι ταυτόσημα με αυτά του καταχωρητή πηγής). Ακόμη, για επιλεκτικό συμπλήρωμα των ψηφίων ενός καταχωρητή μπορεί να χρησιμοποιηθεί η λογική πράξη xor. Σε αυτήν την περίπτωση γίνεται η πράξη αυτή μεταξύ των δεδομένων που είναι αποθηκευμένα σε έναν καταχωρητή και ενός αριθμού με λογικές μονάδες στις θέσεις των ψηφίων που είναι επιθυμητό να περάσει το συμπλήρωμα τους στον καταχωρητή προορισμού της πράξης. Στα υπόλοιπα ψηφία τοποθετούνται μηδενικά και έτσι μεταφέρονται τα περιεχόμενα τους στον προορισμό. Οι κώδικες των παραπάνω πράξεων αναφέρονται στο παράρτημα Α (Α14, Α15, Α16, Α17 αντίστοιχα). Tελεστές λειτουργίες ολίσθησης Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι τελεστές που πραγματοποιούν ολισθήσεις στα περιεχόμενα - bits των καταχωρητών. Οι πράξεις ολίσθησης χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες : 1) Δεξιά ολίσθηση (ολίσθηση προς το λιγότερο σημαντικό ψηφίο) 2) Αριστερή ολίσθηση (ολίσθηση προς το περισσότερο σημαντικό ψηφίο) Οι κώδικες των δυο αυτών τελεστών δίνονται στο παράρτημα (Α.18 και Α.19 αντίστοιχα). Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτές οι λειτουργίες χρησιμοποιούνται κατά την σειριακή μεταφορά δεδομένων αλλά και σε αριθμητικές και λογικές λειτουργίες (ως κομμάτι κάποιας πιο πολύπλοκης λειτουργίας). Επιπλέον στο παράρτημα Α δίνεται και ένας ακόμη τελεστής λειτουργία που συνδυάζει μια λειτουργία ολίσθησης και μια λογική πράξη. Συγκεκριμένα, τα δεδομένα εισόδου δέχονται μια ολίσθηση προς τα δεξιά και στην συνέχεια εφαρμόζεται σε αυτά ο τελεστής λογικής αναστροφής (not). Ο κώδικας αυτού του τελεστή (asr) δίνεται στο παράρτημα Α ΧΕΙΡΙΣΤΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ DATAPATH 10

11 Ένα σημαντικό κομμάτι της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας είναι το κομμάτι των χειριστών δεδομένων. Αυτό το κομμάτι όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.5 αποτελείται κατά κύριο λόγο από δυο μέρη : Το αρχείο καταχωρητών Την μονάδα εκτέλεσης των λειτουργιών Το αρχείο καταχωρητών (register file) είναι μια ομάδα καταχωρητών τα περιεχόμενα των οποίων υπόκεινται στις ίδιες λειτουργίες. Ένα τυπικό τέτοιο αρχείο είναι ουσιαστικά μια μικρή και πολύ γρήγορη μνήμη που επιτρέπει την ταυτόχρονη ανάγνωση ή και εγγραφή ενός ή περισσοτέρων λέξεων μαζί. Όπως φαίνεται και από το σχήμα, το κύκλωμα του register file έχει τέσσερις βασικές εισόδους και ένα σήμα ελέγχου εγγραφής (write). Στις εισόδους Α, Β δέχεται τις διευθύνσεις των καταχωρητών των οποίων τα περιεχόμενα πρέπει να μεταφερθούν στις εξόδους Α, Β αντίστοιχα (ανάγνωση περιεχομένου καταχωρητών). Αντιθέτως οι άλλες δυο είσοδοι αφορούν τη λειτουργία εγγραφής στο register file. Συγκεκριμένα, η μια είσοδος δίνει την διεύθυνση του καταχωρητή προορισμού για την εγγραφή και η άλλη δίνει τα δεδομένα που προέρχονται από την επεξεργασία που μόλις τελείωσε στην μονάδα εκτέλεσης των λειτουργιών (function unit) ή από τα δεδομένα που έρχονται την μνήμη(data in) και πρόκειται να εγγραφούν στον καταχωρητή προορισμού. Όλα τα παραπάνω γίνονται σε έναν κύκλο ρολογιού. Το σήμα εγγραφής επιτρέπει να γίνει η εγγραφή εφόσον είναι ενεργό ενώ στην αντίθετη περίπτωση δεν γίνεται εγγραφή στον συγκεκριμένο κύκλο ρολογιού. Στο σχήμα του datapath οι τρεις είσοδοι θεωρείται ότι έχουν μέγεθος τριών bits και τα δεδομένα n bits. Η μονάδα εκτέλεσης λειτουργιών (function unit) δέχεται εισόδους από την μονάδα ελέγχου (FS Function signals) και τα δεδομένα από το αρχείο καταχωρητών (Α, Β) και δίνει στην έξοδο ένα σύνολο από σήματα κατάστασης (V, C, N, Z) που κατευθύνονται προς την μονάδα ελέγχου και δεδομένα προς το αρχείο καταχωρητών. Τα σήματα ελέγχου FS επιλέγουν την λειτουργία που θα εκτελεστεί στα δεδομένα εισόδου προς την αριθμητική και λογική μονάδα που, όπως θα αναφερθεί και στην συνέχεια, είναι μέρος της function unit. Έτσι το πλήθος των bits που απαρτίζουν τα σήματα αυτά καθορίζονται από το πλήθος των λειτουργιών που πρόκειται να εκτελεί η αριθμητική και λογική μονάδα και κατά επέκταση η κεντρική μονάδα επεξεργασίας. Σε κάθε λοιπόν λειτουργία αντιστοιχίζεται και ένας κωδικός με το κάθε ψηφίο του να αντιστοιχεί σε ένα σήμα ελέγχου. Επιπλέον τα σήματα κατάστασης που δίνει στην έξοδο της η μονάδα καθρεφτίζουν την κατάσταση μετά 11

12 την πράξη που μόλις έχει εκτελεστεί. Συγκεκριμένα, το σήμα V ενεργοποιείται στην περίπτωση που μετά την πράξη υπάρχει υπερχείλιση, το σήμα C ενεργοποιείται όταν μετά την πράξη υπάρχει κρατούμενο, το σήμα Ν ενεργοποιείται όταν το αποτέλεσμα της πράξης είναι αρνητικό ενώ το σήμα Ζ ενεργοποιείται όταν το αποτέλεσμα της πράξης είναι το μηδέν. Στην επικοινωνία μεταξύ των δυο παραπάνω μονάδων μεσολαβούν δυο πολυπλέκτες. Στον τελευταίο από αυτούς (MUX D), επιλέγονται τα δεδομένα που θα κατευθυνθούν προς το αρχείο καταχωρητών. Η επιλογή γίνεται με ένα σήμα ελέγχου που παράγεται από την μονάδα ελέγχου (MD). Ο πρώτος στη σειρά πολυπλέκτης που διακρίνεται στο σχήμα, χρησιμοποιείται για την επιλογή, μέσω του σήματος ελέγχου (MB), των δεδομένων που θα περάσουν στην είσοδο Β της μονάδας εκτέλεσης λειτουργιών, δηλαδή γίνεται επιλογή μεταξύ των δεδομένων της εξόδου Β του αρχείου καταχωρητών και μιας σταθεράς εισόδου. Στο σχήμα αυτό επίσης δίνεται και η λέξη ελέγχου. Η λέξη αυτή αποτελείται από τα σήματα ελέγχου που λαμβάνονται από την μονάδα ελέγχου και αντιστοιχούν στα δυαδικά ψηφία της λέξης. Τα δυο βασικά μέρη του datapath, το αρχείο καταχωρητών και η μονάδα εκτέλεσης λειτουργιών περιγράφονται λεπτομερώς εσωτερικά. Όπως φαίνεται και στο σχήμα συνήθως οι λειτουργίες του datapath εκτελούνται από δυο μέρη (function unit) : την αριθμητική και λογική μονάδα και τον ολισθητή. Με την αριθμητική και λογική μονάδα σχετίζεται το σύνολο των εισόδων και των εξόδων της function unit του σχήματος. Εφόσον προστεθούν και άλλες λειτουργίες που πρέπει να εκτελεστούν στην function unit μπορεί να αλλάξει η σχεδίαση της μονάδας αλλά η δομή της δεν θα υποστεί σημαντικές τροποποιήσεις. Στην περίπτωση του ολισθητή, εκτός από έναν απλό ολισθητή που εκτελεί αριστερή και δεξιά ολίσθηση κατά ένα ψηφίο υπάρχει και η περίπτωση του ολισθητή βαρελιού (barrel shifter). Πρόκειται για ένα συνδυαστικό κύκλωμα που ολισθαίνει μια δυαδική λέξη κατά τον αριθμό ψηφίων που καθορίζουν τα σήματα ελέγχου. Φυσικά ένα τέτοιο κύκλωμα απαιτεί ένα μεγάλο αριθμό πολυπλεκτών, κάτι που θέτει σε σκέψη την επιλογή του. Το σήμα G select αναφέρεται στην επιλογή της πράξης εκτέλεσης στην αριθμητική και λογική μονάδα ενώ το σήμα Η select στην επιλογή της πράξης στον ολισθητή. Τέλος, μετά τις εξόδους και των δυο μερών επιλέγεται η έξοδος της function unit μέσω ενός πολυπλέκτη που και αυτός ελέγχεται από την μονάδα ελέγχου (MF). 12

13 Ένας ή περισσότεροι δίαυλοι χρησιμοποιούνται για την διασύνδεση πολλών καταχωρητών σε ένα datapath. Αφού αποκωδικοποιηθεί η διεύθυνση εγγραφής και ενεργοποιηθεί το σήμα load (write) εγγράφονται τα δεδομένα στον επιλεγμένο καταχωρητή, ενώ μέσω πολυπλεκτών επιλέγεται ο καταχωρητής (το περιεχόμενο του δηλαδή) που θα συνδεθεί στην έξοδο του αρχείου καταχωρητών. Όπως ίσως έχει γίνει αντιληπτό, η δρομολόγηση των λειτουργιών σε ένα datapath καθορίζεται από την μονάδα ελέγχου που όμως λαμβάνει σαν ανάδραση τα σήματα κατάστασης από το datapath. Τονίζεται ότι στην απλή περίπτωση του datapath που μόλις παρουσιάστηκε κάθε λειτουργία διαρκεί ένα κύκλο ρολογιού. Για αυτό τον λόγο τα σήματα ελέγχου πρέπει να παράγονται από την μονάδα ελέγχου και να διατίθενται στις αντίστοιχες γραμμές ελέγχου στην αρχή του παλμού κύκλου του ρολογιού και τα δεδομένα από τους δυο καταχωρητές πηγής (από το αρχείο καταχωρητών) πρέπει να φτάσουν στην function unit του datapath και να εκτελεστούν οι πράξεις μέσα σε έναν κύκλο ρολογιού μόλις. Έτσι όταν φτάσει ο η αρχή του επόμενου κύκλου ρολογιού, τα δεδομένα πρέπει να φορτωθούν ξανά στους καταχωρητές του register file. Συνεπώς πρέπει να σημειωθεί ότι είναι απαραίτητο για να είναι εφικτό να ολοκληρωθούν όλες αυτές οι λειτουργίες σε έναν κύκλο ρολογιού απαιτείται τα συνδυαστικά κυκλώματα της function unit του datapath να έχουν περιορισμένο αριθμό επιπέδων πυλών. 2.4 ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ FSM Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το δεύτερο βασικό μέρος μιας κεντρικής μονάδας επεξεργασίας είναι η μονάδα ελέγχου. Η μονάδα αυτή συντονίζει το datapath, παρέχοντας σήματα ελέγχου τα οποία ενεργοποιούν (και επιλέγουν) διάφορες λειτουργίες (που συνήθως ονομάζονται μικρολειτουργίες) που συντελούνται στο datapath αλλά και επιλέγουν μερικές φορές τελεστέους κάποιων πράξεων έτσι ώστε να εκτελεστούν κάποιες μεγαλύτερες λειτουργίες. Επιπλέον καθώς η μονάδα αυτή συντονίζει το datapath, καθορίζει και τη σειρά αλληλουχία με την οποία θα εκτελεστούν οι διάφορες λειτουργίες. Η μονάδα αυτή είναι ένα ακολουθιακό 13

14 κύκλωμα το οποίο συντονίζεται από τους παλμούς του ρολογιού, ίδιου με αυτό που συντονίζει τους καταχωρητές του συστήματος. Γενικά υπάρχουν δυο τύποι μονάδων ελέγχου : a) Για μη προγραμματιζόμενο σύστημα b) Για προγραμματιζόμενο σύστημα Στο σύστημα της πρώτης περίπτωσης, η μονάδα ελέγχου δεν είναι υπεύθυνη για να δεχτεί τις εντολές του προγράμματος που πρόκειται να εκτελεστεί από την μνήμη, ούτε είναι υπεύθυνη να συντονίζει την σειρά εκτέλεσης των εντολών αυτών. Σε αυτό το σύστημα δεν υπάρχει μετρητής προγράμματος. Απεναντίας, η μονάδα ελέγχου καθορίζει τις λειτουργίες που πρέπει να εκτελεστούν και την σειρά με την οποία θα εκτελεστούν αυτές οι εντολές βασισμένη μόνο στις εισόδους και στα bits κατάστασης. Σε ένα προγραμματιζόμενο σύστημα, ένα μέρος των εισόδων προς έναν επεξεργαστή αποτελείται από μια σειρά εντολών. Κάθε εντολή καθορίζει την λειτουργία (ή σύνολο μικρολειτουργιών κομμάτια μιας λειτουργίας) που πρέπει να εκτελεστούν, τους τελεστέους που θα χρειαστούν για αυτή την εντολή, τον καταχωρητή που θα αποθηκευτεί το αποτέλεσμα (και που θα βρίσκεται ο καταχωρητής στην μνήμη ή στο datapath) και σε μερικές περιπτώσεις την επόμενη εντολή που θα εκτελεστεί. Για το σύστημα αυτό, οι εντολές συνήθως αποθηκεύονται στην μνήμη. Για να εκτελεστούν οι εντολές σε μια αλληλουχία, είναι απαραίτητο να δίνεται η διεύθυνση στη μνήμη της κάθε εντολής. Η διεύθυνση αυτή προκύπτει από τον καταχωρητή μετρητή προγράμματος (PC) και για να αλλάξει η σειρά εκτέλεσης των λειτουργιών χρησιμοποιούνται εντολές με αποφάσεις που βασίζονται στα bits κατάστασης και έτσι ο μετρητής προγράμματος χρειάζεται ικανότητα παράλληλης φόρτωσης. Έτσι σε αυτή την περίπτωση του συστήματος, η μονάδα ελέγχου περιέχει ένα μετρητή προγράμματος και ένα κύκλωμα σχετικής λογικής αποφάσεων καθώς επίσης και ένα κύκλωμα που θα ερμηνεύει τις εντολές. Σημειώνεται ότι με τη φράση εκτέλεσης της εντολής εννοείται η ενεργοποίηση μιας αλληλουχίας μικρολειτουργιών στο datapath που απαιτούνται έτσι ώστε να εκτελεστεί μια λειτουργία που καθορίζεται από μια εντολή. Η επεξεργασία δεδομένων από το datapath απαιτεί ένα μηχανισμό συντονισμού των μικρολειτουργιών που αποτελούν μια λειτουργία. Συνήθως αυτός ο μηχανισμός είναι ένας κυκλωματικός αλγόριθμος που αποτελείται από έναν πεπερασμένο αριθμό από βήματα που απαιτούνται για την ολοκλήρωση της επεξεργασίας. Για την περιγραφή ενός τέτοιου κυκλωματικού αλγορίθμου χρησιμοποιείται το διάγραμμα 14

15 αλγοριθμικής μηχανής καταστάσεων (ASM). Αντίστοιχα συχνά χρησιμοποιείται ο όρος μηχανή καταστάσεων για την ειδική περίπτωση των ακολουθιακών κυκλωμάτων. Το διάγραμμα ASM μοιάζει με ένα απλό διάγραμμα ροής μόνο που περιλαμβάνει και τη χρονική σχέση μεταξύ των καταστάσεων του και την διαδοχή τους. Τα διαγράμματα ASM χρησιμοποιούν τρία βασικά στοιχεία : 1) Το κουτί κατάστασης (state box) 2) To κουτί απόφασης (decision box) 3) Το κουτί υπό συνθήκη (conditional box) Στο διάγραμμα 2.7 δίνεται σαν παράδειγμα ένα μπλοκ ASM για την απλούστερη κατανόηση αυτού του τύπου των διαγραμμάτων καθώς η κατασκευή τους αποτελεί ένα από τα πρώτα βήματα για την σχεδίαση μιας μονάδας ελέγχου. Σε αυτό το διάγραμμα είναι φανερή η διαφορά των σχημάτων που αντικατοπτρίζει και διαφορά στον τύπο κάθε λειτουργίας ή συνόλου μικρολειτουργιών καθώς και στο ρόλο που παίζουν στη ροή του διαγράμματος τα διαφορετικά υποσύνολα του κάθε βήματος. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ροή διαδρομή του διαγράμματος από το κουτί που βρίσκεται αμέσως μετά από ένα κουτί κατάστασης μέχρι το επόμενο κουτί κατάστασης πρέπει να ολοκληρωθεί μέσα στην διάρκεια ενός κύκλου ρολογιού, για αυτόν τον λόγο και προκύπτουν περιορισμοί κατά την κυκλωματική υλοποίηση της μονάδας ελέγχου που περιλαμβάνει φυσικά διαγράμματα ASM μεγάλου μήκους. Συγκεκριμένα, το κουτί κατάστασης είναι ορθογωνίου σχήματος, το κουτί απόφασης είναι σχήματος ρόμβου και το κουτί υπό συνθήκη είναι ελλειπτικού σχήματος. Στο μπλοκ αυτό διάγραμμα η πρώτη κατάσταση (εκκίνηση διαγράμματος) είναι το κουτί κατάστασης START. Μετά τον πρώτο κύκλο ρολογιού και κατά την διάρκεια του δεύτερου κύκλου η ροή του διαγράμματος περνά διαδοχικά από ένα κουτί απόφασης όπου εξετάζεται η τιμή του σήματος Β και αποφασίζεται η συνέχεια του διαγράμματος. Εφόσον η τιμή του σήματος είναι 1 η ροή του διαγράμματος συνεχίζει σε ένα κουτί υπό συνθήκη όπου εφόσον οι συνθήκες που καθορίζονται στην διαδρομή μέσω των κουτιού απόφασης από την αρχική κατάσταση στο κουτί υπό συνθήκη ικανοποιούνται, ενεργοποιούνται οι λειτουργίες στους καταχωρητές που περιγράφονται μέσα στο κουτί. Στη συνέχεια ακολουθεί ένα νέο κουτί απόφασης και τελικά η επόμενη κατάσταση στο τέλος του κύκλου του ρολογιού και αναμένεται πλέον ο επόμενος κύκλος για να εκτελεστεί η επόμενη κατάσταση. Φυσικά όπως είναι φανερό από το διάγραμμα η επόμενη κατάσταση θα εκτελεστεί μόνο εφόσον ενεργοποιηθεί το σήμα START. 15

16 Σχήμα 2.4 Απλό παράδειγμα ενός ASM μπλοκ Συνήθως για τον σχεδιασμό μιας μονάδας ελέγχου υπάρχουν δυο βασικές επιλογές : ο καλωδιωμένος έλεγχος (hardwired control) και ο μικροπρογραμματιζόμενος έλεγχος ο οποίος και θα εξεταστεί καθώς πάνω σε αυτό τον τύπο βασίζεται και το λογισμικό της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 2.5 ΜΙΚΡΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Μικροπρογραμματιζόμενη μονάδα ελέγχου είναι μια μονάδα ελέγχου που έχει αποθηκευμένες στην μνήμη όλες τις τιμές των σημάτων ελέγχου υπό την μορφή των δυαδικών ψηφίων ενός δυαδικού αριθμού. Κάθε λέξη στην μνήμη της μονάδας 16

17 ελέγχου (ονομάζεται και μνήμη ελέγχου) περιέχει και αποτελεί μια μικροεντολή η οποία καθορίζει μια ή περισσότερες μικρολειτουργίες που πρέπει να εκτελεστούν. Μια ακολουθία από μικροεντολές συνθέτει ένα μικροπρόγραμμα. Στο σχήμα 2.8 δίνεται ένα γενικό μπλοκ διάγραμμα της οργάνωσης μιας μικροπρογραμματιζόμενης μονάδας ελέγχου. Η μνήμη ελέγχου συνήθως είναι μια μνήμη ROM στην οποία αποθηκεύονται μόνιμα όλες οι πληροφορίες των σημάτων ελέγχου. Ο καταχωρητής διεύθυνσης ελέγχου (CAR) καθορίζει την διεύθυνση της μικρολειτουργίας, ενώ ο καταχωρητής δεδομένων ελέγχου(cdr), ο οποίος είναι γενικά προαιρετικό να υπάρχει, κράτα στο περιεχόμενο του την μικροεντολή που τη συγκεκριμένη στιγμή εκτελείται από την μονάδα ελέγχου και το datapath. Μια λέξη ελέγχου καθορίζει την διεύθυνση της επόμενης μικροεντολής που πρόκειται να εκτελεστεί. Η μικροεντολή αυτή μπορεί να είναι η επόμενη στην σειρά ή μπορεί να βρίσκεται σε κάποιο άλλο σημείο της μνήμης ελέγχου. Συνεπώς στην καθεμιά μικροεντολή πρέπει να υπάρχουν ένα ή περισσότερα bits που ορίζουν πως θα υπολογιστεί η διεύθυνση της επόμενης μικροεντολής. Ενώ μια μικροεντολή εκτελείται το κύκλωμα που αναφέρεται ως γεννήτρια της επόμενης διεύθυνσης (next address generator) παράγει την επόμενη διεύθυνση της μικροεντολής που θα εκτελεστεί. Η επόμενη διεύθυνση της μικροεντολής μπορεί επίσης να είναι συνάρτηση των άλλων εισόδων που παίρνει η γεννήτρια επόμενης διεύθυνσης, δηλαδή των σημάτων κατάστασης (status signals) και των εξωτερικών σημάτων ελέγχου (external control inputs). Η διεύθυνση της επόμενης μικροεντολής μεταφέρεται στον καταχωρητή διεύθυνσης ελέγχου στον επόμενο παλμό ρολογιού και χρησιμοποιείται για να διαβαστεί από την μνήμη ελέγχου η επόμενη μικροεντολή. Οι μικροεντολές περιέχουν bits για την ενεργοποίηση των μικρολειτουργιών στο datapath και bits που καθορίζουν την σειρά των μικροεντολών που θα εκτελεστούν. Η γεννήτρια της επόμενης διεύθυνσης μαζί με τον καταχωρητή διεύθυνσης ελέγχου ονομάζονται ακολουθητής (sequencer) επειδή καθορίζει την ακολουθία των εντολών που θα διαβαστούν από την μνήμη ελέγχου. Η διεύθυνση της επόμενης μικροεντολής μπορεί να οριστεί με διάφορους τρόπους που εξαρτώνται από τις εισόδους του ακολουθητή, είτε αυξάνοντας τον καταχωρητή διεύθυνσης ελέγχου είτε φορτώνοντας τον με μια από τις εισόδους του ακολουθητή είτε φυσικά φορτώνοντας τον με μια αρχική διεύθυνση για να αρχίσει η λειτουργία της μονάδας ελέγχου. Ο καταχωρητής δεδομένων ελέγχου κρατά την μικροεντολή που εκτελείται ενώ υπολογίζεται η επόμενη διεύθυνση και η επόμενη μικροεντολή διαβάζεται από την μνήμη. Η προσθήκη του είναι προαιρετική και συχνά προτιμάται για την διαίρεση 17

18 μιας διαδρομής με μεγάλη καθυστέρηση μέσω της μνήμης ελέγχου και του datapath. Έτσι επιτρέπει στο σύστημα να επιτυγχάνει τις λειτουργίες του με μεγαλύτερη ταχύτητα ρολογιού και έτσι να εκτελεί ταχύτερα την επεξεργασία του. Παρόλα αυτά όμως η προσθήκη αυξάνει την πολυπλοκότητα της σειράς των μικρολειτουργιών κυρίως όταν η λήψη αποφάσεων κατά την διάρκεια της επεξεργασίας βασίζεται και στα bits των σημάτων κατάστασης. Για αυτό μπορεί και ο καταχωρητής αυτός να παραλειφθεί. Αξίζει να σημειωθεί ότι σε κάθε παλμό ρολογιού εκτελούνται οι μικρολειτουργίες που ορίζονται από τις μικροεντολές και μεταφέρεται μια νέα διεύθυνση στον καταχωρητή διεύθυνσης ελέγχου, το οποίο είναι το μόνο εξάρτημα στην μονάδα ελέγχου που λαμβάνει τους παλμούς ρολογιού και αποθηκεύει τις πληροφορίες από τα σήματα κατάστασης. Η γεννήτρια της επόμενης διεύθυνσης και η μνήμη ελέγχου είναι συνδυαστικά κυκλώματα και έτσι η κατάσταση της μονάδας ελέγχου δίνεται μόνο από το περιεχόμενο του καταχωρητή διεύθυνσης ελέγχου. Τα ψηφία κατάστασης (status bits) συμμετέχουν στον καθορισμό της επόμενης διεύθυνσης της μικροεντολής που θα εκτελεστεί από το datapath. Μπορούν έτσι να επηρεάσουν την διεύθυνση της επόμενης μικρολειτουργίας που θα εκτελεστεί επηρεάζοντας την γεννήτρια επόμενης διεύθυνσης ή ακόμα και να επηρεάσουν άμεσα τις μικρολειτουργίες που γίνονται στο datapath ξεπερνώντας την μονάδα ελέγχου. Τα ακολουθιακά κυκλώματα πρέπει συχνά να είναι τύπου Moore (ένας εκ των δυο τύπων ενός ακολουθιακού κυκλώματος όπως θα αναφερθεί και στην συνέχεια) και αυτό έχει ως συνέπεια τα κουτιά υπό συνθήκη να μην επιτρέπονται στα αλγοριθμικά διαγράμματα ροής ASM. Έτσι περισσότερες καταστάσεις απαιτούνται σε ένα διάγραμμα ASM, για έναν δεδομένο κυκλωματικό αλγόριθμο, από ότι στην περίπτωση ενός μη ακολουθιακού κυκλώματος. Για τον σχεδιασμό της μονάδας ελέγχου πρέπει εκ των προτέρων να υπολογιστούν : 1) Ο αριθμός των ψηφίων (μέγεθος σε bits) της λέξης ελέγχου για τις μικροεντολές 2) Το μέγεθος της μνήμης (συχνά ROM) και του καταχωρητή CAR 3) Η δομή της γεννήτριας επόμενης διεύθυνσης Μετά από αυτά μπορεί κάποιος να σχεδιάσει τον ακολουθητή και να γράψει το μικροπρόγραμμα για κάθε υλοποίηση διαγράμματος ASM. Στην συνέχεια συνήθως αντιστοιχίζονται τα σήματα ελέγχου που απαιτούνται για την εκτέλεση του διαγράμματος ASM με τις καταστάσεις όπου θα 18

19 ενεργοποιηθούν αυτά, τις λειτουργίες μεταφοράς των καταχωρητών και το bit που αντιστοιχεί το κάθε σήμα ελέγχου στην μικροεντολή. Τα σήματα ελέγχου μπορούν να κωδικοποιηθούν ώστε να μειωθεί το μέγεθος της μνήμης ROM που θα χρειαστεί (μείωση του αριθμού των bit στην μικροεντολή και έτσι μείωση μεγέθους της λέξης ελέγχου). Στο σχήμα 2.5 δίνεται η μορφή της λέξης του μικροπρογραμματιζόμενου ελέγχου (δηλαδή της λέξης ελέγχου που αποθηκεύεται στην μνήμη της μονάδας ελέγχου). Όπως φαίνεται και από το σχήμα, τα δυο πρώτα πεδία αναφέρονται στην επόμενη διεύθυνση στην μνήμη όπου βρίσκεται η επόμενη μικροεντολή, το επόμενο πεδίο στο σήμα που επιλέγει την μεταβλητή απόφασης ή την σταθερά που θα αποτελέσει το σήμα επιλογής της επόμενης διεύθυνσης (την επιλογή δηλαδή της διεύθυνσης του πρώτου ή του δεύτερου πεδίου σαν την επόμενη διεύθυνση της μικροεντολής στην μνήμη). Τέλος, το τελευταίο πεδίο αναφέρεται στα σήματα ελέγχου που θα ενεργοποιηθούν για τις μικρολειτουργίες του datapath. Αξίζει να σημειωθεί ότι το μέγεθος του πεδίου αυτού μπορεί να μειωθεί εάν κωδικοποιηθούν με βέλτιστο τρόπο το σύνολο των σημάτων ελέγχου. Σχήμα 2.5 Μορφοποίηση της λέξης μικροπρογραμματιζόμενου ελέγχου Στη συνέχεια πρέπει να καθοριστούν τα πεδία δρομολόγησης (ακολουθία διευθύνσεων στην μνήμη). Υπάρχουν δυο κύριες μέθοδοι για τον προσδιορισμό διευθύνσεων : 1) Οι πιθανές δυο διευθύνσεις περιέχονται στην μικροεντολή (και αφορά τις διευθύνσεις που αποθηκεύονται στα δυο πεδία διεύθυνσης της μικροεντολής) 2) Η μια διεύθυνση περιέρχεται στην μικροεντολή ενώ στον καταχωρητή CAR δίνεται η δυνατότητα παράλληλης φόρτωσης και αύξησης. 19

20 Στο παράδειγμα που αναφέρεται ακολουθείται η πρώτη μέθοδος προσδιορισμού της διεύθυνσης. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω το τρίτο πεδίο της λέξης ελέγχου μπορεί να προσδιορίσει την τυχόν απαίτηση για αλλαγή διεύθυνσης και να καθορίσει την αιτία είσοδο που επέβαλε αυτήν την αλλαγή. Συχνά επιλέγεται ένα αλγοριθμικό διάγραμμα ASM να μοντελοποιείται μέσω μιας ακολουθιακής μηχανής καταστάσεων (Μηχανής Πεπερασμένων Καταστάσεων - FSM). Σε ένα FSM οι καταστάσεις του ASM παραμένουν καταστάσεις και του ακολουθιακού κυκλώματος αλλά τα κουτιά υπό συνθήκη μετατρέπονται σε καταστάσεις και αυτό έχει ως αποτέλεσμα, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, την αύξηση του αριθμού των καταστάσεων του διαγράμματος (και συνεπώς και την αύξηση του αριθμού των κύκλων ρολογιού για την ολοκλήρωση του αλγοριθμικού διαγράμματος). Στο σχήμα 2.9 δίνεται ένα διάγραμμα ακολουθιακών μηχανών. Στο διάγραμμα αυτό δίνεται η μνήμη (ένα σύνολο καταχωρητών) όπου διατηρούνται οι καταστάσεις του ASM και ένα κύκλωμα σχηματισμού της επόμενης κατάστασης το οποίο είναι υπεύθυνο για την εξαγωγή της επόμενης κατάστασης του ΑSM. Αυτό το κύκλωμα είναι συνδυαστικής λογικής και έτσι δεν απαιτεί παλμό ρολογιού, παίρνει σαν εισόδους τα σήματα που έρχονται εξωτερικά στην μονάδα ελέγχου (εξωτερικά σήματα ελέγχου ή και σήματα κατάστασης από το datapath) και την παρούσα κατάσταση του FSM από την μνήμη και παράγει την νέα κατάσταση ενεργοποιώντας την αντίστοιχο καταχωρητή στην μνήμη. Η μνήμη αντιθέτως είναι ακολουθιακό κύκλωμα και αναμένει τον παλμό του ρολογιού για να λειτουργήσει και δίνει στην έξοδο την κατάσταση που πρόκειται να εκτελεστεί κατά την διάρκεια του κύκλου ρολογιού που μόλις διανύεται. Στην συνέχεια αυτή η κατάσταση λαμβάνεται συνήθως από ένα κύκλωμα σχηματισμού εξόδων (και αυτό κύκλωμα συνδυαστικής λογικής) προκειμένου τελικά να προκύψει τα επιθυμητά σήματα στην έξοδο για το datapath. Αξίζει να σημειωθεί ότι μια κατάσταση παριστάνεται από έναν αριθμό από bits που αποθηκεύονται στους καταχωρητές της μνήμης και περιγράφουν (αποτελούν τιμές σημάτων ελέγχου) τις μικρολειτουργίες που πρόκειται να εκτελεστούν στο datapath. Το διάγραμμα είτε ολοκληρώνεται με την εκτέλεση της τελευταίας κατάστασης του ASM είτε επαναλαμβάνεται κυκλικά περνώντας συνήθως από τη τελευταία στην πρώτη κατάσταση. Αξίζει ακόμη να σημειωθεί ότι σε κάποια κυκλώματα η έξοδος συνδέεται απευθείας με την έξοδο της μνήμης (δηλαδή με την παρούσα κατάσταση) και έτσι δεν χρειάζεται το συνδυαστικό κύκλωμα σχηματισμού. 20

21 Υπάρχουν δυο μοντέλα ακολουθιακών μηχανών FSM. Το μοντέλο Moore και το μοντέλο Mealy που δίνονται στα σχήματα 2.10ακαι 2.10β αντίστοιχα. Η βασική διαφορά ανάμεσα στα δυο μοντέλα είναι ότι στο μοντέλο Moore οι έξοδοι του FSM εξαρτώνται μόνο από την παρούσα κατάσταση που μόλις εισήλθε στο συνδυαστικό κύκλωμα από την μνήμη, ενώ οι έξοδοι του μοντέλου Mealy εξαρτώνται και από τις εισόδους (άμεση εξάρτηση από τις εισόδους) του FSM Κωδικοποίηση καταστάσεων Μετά τις τροποποιήσεις που γίνονται στο αρχικό ASM διάγραμμα πρέπει να γίνει η κωδικοποίηση των καταστάσεων του διαγράμματος, η ανάθεση δηλαδή σε κάθε κατάσταση ενός συνόλου δυαδικών ψηφίων που αποτελεί φυσικά έναν κωδικό για κάθε κατάσταση. Η κωδικοποίηση αυτή μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους μερικοί από τους οποίους δίνονται παρακάτω : 1) Ακολουθιακή : Σε κάθε κατάσταση ανατίθεται και ένας αριθμός (σε δυαδική μορφή) αυξανόμενος κατά ένα διαδοχικά. 2) Gray and Johnson : Σε κάθε κατάσταση ανατίθεται διαδοχικά ένας δυαδικός αριθμός του οποίου αλλάζει μόνο ένα ψηφίο σε κάθε κατάσταση. Ένας βασικός λόγος για να χρησιμοποιηθεί μια τέτοιου είδους κωδικοποίηση είναι για να μειωθούν τα σφάλματα (ουσιαστικά η πιθανότητα σφάλματος) κατά την μετάβαση μεταξύ των καταστάσεων που προκαλούνται από τις μεταβολές των ασύγχρονων εισόδων κατά την διάρκεια φόρτωσης τιμών στα flip flops των καταχωρητών. 3) One hot : Σε κάθε κατάσταση ανατίθεται και ένα flip flop και έτσι Ν καταστάσεις απαιτούν Ν flip flops, ενώ μόνο ένα από αυτά είναι ενεργό κάθε φορά (σε κάθε κατάσταση). Όμως συχνά ο αυξανόμενος αριθμός flip flops και η αυξανόμενη έκταση του κυκλώματος επόμενης κατάστασης έχει ως αποτέλεσμα το μέγεθος του τελικού κυκλώματος να γίνει αρκετά μεγάλο. 4) Οριζόμενο από τον σχεδιαστή : Η κωδικοποίηση των καταστάσεων σε αυτή την περίπτωση βασίζεται στον ίδιο τον σχεδιαστή και τις εμπνεύσεις του. Στο Πίνακα Π2.1 δίνεται ένας πίνακας με τις διάφορες μεθόδους κωδικοποίησης για πέντε καταστάσεις. 21

22 Αριθμός Ακολουθιακή Gray Johnson One hot κατάστασης Πίνακας Π2.1 Πίνακας διαφόρων μεθόδων κωδικοποιήσεων Στο σχήμα 2.11 δίνεται το διάγραμμα ASM του παραδείγματος που έχει τροποποιηθεί έτσι ώστε να μπορεί να υλοποιηθεί από ακολουθιακό FSM με την κωδικοποίηση των καταστάσεων αριστερά μέσα στις παρενθέσεις στο κάθε κουτί κατάστασης. Η μέθοδος κωδικοποίησης που επιλέγεται είναι η ακολουθιακή. Για την κυκλωματική υλοποίηση του συνδυαστικού κυκλώματος παραγωγής της επόμενης κατάστασης και για την παραγωγή της εξόδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί (ειδικά στην περίπτωση του κυκλώματος με περιορισμένο αριθμό εισόδων και εξόδων) η μέθοδος του πίνακα Karnaugh με βάση τις εισόδους του κυκλώματος και τις εξόδους του. Για την σύνθεση του κυκλώματος της μονάδας ελέγχου τονίζεται ότι σε κάθε κύκλο ρολογιού αντιστοιχεί (και εκτελείται το κομμάτι του αλγορίθμου για) μια κατάσταση. Σε κάθε κατάσταση, όπως και στην παραπάνω μικροπρογραμματιζόμενη μονάδα ελέγχου, ζητείται η λέξη ελέγχου που αντιστοιχεί στην κατάσταση από την μνήμη και δίνεται στην έξοδο μια τελική σειρά σημάτων ελέγχου για το datapath. 22

23 Σχήμα 2.6 Απλό παράδειγμα ενός ASM μπλοκ για FSM μονάδα ελέγχου 2.6 ΕΞΑΡΤΗΣΕΙΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ RTL Στην παράγραφο αυτή δίνεται μια λίστα πράξεων τελεστών πάνω σε δεδομένα και στην συνέχεια σχηματίζεται κατευθυνόμενος γράφος με βάση τις παραπάνω πράξεις, υλοποιείται διάδρομος δεδομένων βασισμένος σε αυτό το γράφο και τελικά προτείνεται και υλοποίηση του ελεγκτή του διαδρόμου δεδομένων. Στο σχήμα 2.13 δίνεται η λίστα των πράξεων τελεστών στα δεδομένα. Σειρά Τελεστής Πράξη Πράξης 1 * t1=a*x1 2 * t2=b*x2 23

24 3 + y1=t1+t2 4 * t3=b*x1 5 * t4=-a*x2 6 + y2=t3+t4 Πίνακας Π2.2 Πίνακας πράξεων σε επίπεδο RTL Στον πίνακα των πράξεων οι μεταβλητές a, b, x1, x2 αποτελούν εισόδους του datapath σε αντίθεση με τις υπόλοιπες μεταβλητές που οι τιμές τους αποθηκεύονται σε καταχωρητές στο datapath. Ως επόμενο βήμα είναι η κατασκευή ενός διαγράμματος που έχει ως κόμβους τις πράξεις τελεστές του παραπάνω πίνακα και οι κόμβοι ενώνονται μεταξύ τους με ακμές που έχουν φορά (κατευθυνόμενος γράφος) από τον κόμβο πράξη που πρόκειται να εκτελεστεί αρχικά (σε πρώτο κύκλο) προς τον κόμβο που θα εκτελεστεί στον επόμενο κύκλο. Έτσι ουσιαστικά υπάρχουν δυο σύνολα που ο συνδυασμός τους δίνει το γράφημα. Το σύνολο των κόμβων Ε ={κ1, κ2} και το σύνολο των ακμών Ε Β ={α12} που αντίστοιχα ενώνει τους κόμβους 1 και 2. Ως μια αρχική προσπάθεια κατασκευής του γραφήματος των πράξεων, θεωρείται ότι τα ψηφιακά κυκλώματα αντιστοιχούν ένα σε κάθε τελεστή, κάθε πράξη διαρκεί έναν κύκλο ρολογιού και σε κάθε κύκλο ρολογιού γίνεται μια πράξη. Στην συνέχεια θα υποδειχθεί και ένα γράφημα με βελτιστοποίηση. Με βάση τις προϋποθέσεις που τέθηκαν αρχικά προκύπτει για τις πράξεις του πίνακα το γράφημα του σχήματος

25 Σχήμα 2.7 Παράδειγμα γραφήματος πράξεων σε επίπεδο RTL Για να γίνει η σύνθεση ενός περισσότερο από απλού κυκλώματος προκειμένου να υλοποιηθεί το παραπάνω γράφημα μετά τον χρονικό προγραμματισμό των πράξεων και την ανάθεση τους σε κυκλώματα πόρους του συστήματος, πρέπει να σχεδιαστεί το datapath και η μονάδα ελέγχου. Η αρχιτεκτονική που συνήθως επιλέγεται έχει τα εξής βήματα : 1) Τα δεδομένα διαβάζονται από τους καταχωρητές ( περνούν ή όχι από πολυπλέκτες) και στη συνέχεια οδηγούνται στο σωστό πόρο (ψηφιακό κύκλωμα για να γίνει η κατάλληλη πράξη) 2) Οι πράξεις εκτελούνται 25

26 3) Τα αποτελέσματα γράφονται πίσω στους καταχωρητές Αξίζει να σημειωθεί στα παραπάνω ότι οι πολυπλέκτες χρησιμοποιούνται στην προσπάθεια βελτιστοποίησης καθώς μέσω αυτών υπάρχει η δυνατότητα να μοιραστούν οι πόροι του datapath και έτσι να μειωθεί και η παράμετρος της επιφάνειας που καλύπτει το συνολικό κύκλωμα, καθώς δυο ή και παραπάνω πολλαπλασιασμοί του γραφήματος εκτελούνται από τον ίδιο πολλαπλασιαστή. Επιπλέον με τους πολυπλέκτες υπάρχει η δυνατότητα καθοδήγησης των τελεστέων στον σωστό τελεστή και πόρο αφού σε έναν πόρο γίνονται παραπάνω από μια πράξεις και συνεπώς οι πιθανοί τελεστέοι του είναι πολλοί και πρέπει να επιλεγούν κάθε φορά οι κατάλληλοι. Για μια πιο βέλτιστη σχεδίαση του datapath είναι σημαντικός λοιπόν ο αριθμός και το μέγεθος των πολυπλεκτών που απαιτούνται, όμως υπενθυμίζεται και δεν πρέπει να αγνοηθεί ότι εκτός του γεγονότος ότι και οι πολυπλέκτες καλύπτουν κάποια επιφάνεια στο σύστημα, προσθέτουν καθυστέρηση που εξαρτάται κυρίως από τον αριθμό των εισόδων των πολυπλεκτών. Υπάρχει η δυνατότητα να γίνει βελτιστοποίηση και ως προς την ταχύτητα εκτέλεσης του αλγορίθμου του γραφήματος μειώνοντας το πλήθος των κύκλων του ρολογιού για την εκτέλεση και ολοκλήρωση της ομάδας αυτής των λειτουργιών - πράξεων. Βέβαια, όπως άλλωστε είναι και αναμενόμενο, για να συμβεί αυτό απαιτείται αύξηση στο πλήθος των πόρων καθώς κάποιες ίδιες πράξεις θα πρέπει να εκτελεστούν ταυτόχρονα και συνεπώς δεν είναι δυνατό να μειωθεί κατά πολύ ο αριθμός των πόρων ώστε να μειωθεί και η επιφάνεια που καλύπτει το σύστημα (κάτι που είναι γενικά γνωστό αντιστρόφως ανάλογη σχέση μεταξύ επιφανείας και ταχύτητας - λόγω των γνωστών βέλτιστων καμπυλών Pareto). Όσον αφορά επίσης τους καταχωρητές συχνά λόγω κόστους χρειάζεται να μοιραστούν οι καταχωρητές έτσι ώστε να αντιστοιχούν περισσότερες μεταβλητές σε έναν καταχωρητή (αυτό φυσικά μπορεί να επιτευχθεί μόνο για τις μεταβλητές που δεν χρησιμοποιούνται είτε για ανάγνωση είτε για εγγραφή στον ίδιο κύκλο ρολογιού για παράδειγμα οι μεταβλητές t1, b). Για την υλοποίηση του datapath του παραπάνω παραδείγματος χρησιμοποιούνται έξι καταχωρητές για την αποθήκευση των προσωρινών μεταβλητών και των μεταβλητών εξόδου, τέσσερις πολλαπλασιαστές (ένας για κάθε πράξη πολλαπλασιασμού) και δυο αθροιστές (ένας για κάθε πρόσθεση). Από την μονάδα ελέγχου έρχονται σήματα που ελέγχουν και ενεργοποιούν μόνο τις μεταβλητές και τις εισόδους καθώς δεν είναι απαραίτητη σε αυτή την υλοποίηση η 26

27 χρήση πολυπλεκτών. Επιπλέον κάθε πράξη εκτελείται σε έναν κύκλο ρολογιού και σε κάθε κύκλο εκτελείται μόνο μια πράξη. Για μια πιο βέλτιστη υλοποίηση (ως προς την επιφάνεια που καλύπτει το σύστημα) του datapath για το συγκεκριμένο παράδειγμα χρησιμοποιείται ο ίδιος αριθμός καταχωρητών αλλά προκειμένου να μειωθεί το πλήθος των απαραίτητων πόρων για την εκτέλεση του συνόλου των λειτουργιών του παραδείγματος χρησιμοποιούνται και πολυπλέκτες για την επιλογή των τελεστέων της πράξης που πρόκειται να εκτελεστεί είτε ανάμεσα στις εισόδους είτε ανάμεσα στις προσωρινές μεταβλητές. Στο σχήμα 2.8 δίνεται μια πιο βέλτιστη υλοποίηση του datapath. Σχήμα 2.13 Υλοποίηση datapath του γραφήματος πράξεων σε επίπεδο RTL Αξίζει να σημειωθεί ότι το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του κυκλώματος καλύπτεται από τους πόρους (κυκλώματα για την εκτέλεση των πράξεων) και ένα μικρό μέρος μόνο από τους καταχωρητές (αυτό συμβαίνει συνήθως) για αυτό τον λόγο είναι σημαντική η μείωση στο πλήθος των πόρων. Η μονάδα ελέγχου που συντονίζει και δρομολογεί χρονικά την εκτέλεση των πράξεων στο datapath παρέχει σε ένα τέτοιου είδους datapath τα σήματα 27

28 ενεργοποίησης των καταχωρητών και στην περίπτωση ενός πιο βέλτιστου datapath τα σήματα επιλογής για τους πολυπλέκτες. Το μέγεθος της μονάδας ελέγχου δεν είναι σταθερό και μεταβάλλεται ανάλογα με την ποσότητα των βρόχων και των διακλαδώσεων που υπάρχουν σε έναν αλγόριθμο. Η μονάδα ελέγχου μπορεί να επιδράσει και στην μέγιστη ταχύτητα του ρολογιού. Γενικά πάντως το μέγεθος της μονάδας ελέγχου αυξάνεται με την αύξηση του αριθμού των σημάτων ελέγχου και με την διάρκεια του γραφήματος. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα η μονάδα ελέγχου (για απλή σχεδίαση) πρέπει να: 1) Κύκλος 1 :Ενεργοποιεί τον καταχωρητή t1 και επιλέγει τις εισόδους a, x1 2) Κύκλος 2 :Ενεργοποιεί τον καταχωρητή t2 και επιλέγει τις εισόδους b, x2 3) Κύκλος 3 :Ενεργοποιεί τον καταχωρητή εξόδου y και επιλέγει τις εισόδους t1, t2 4) Κύκλος 4 :Ενεργοποιεί τον καταχωρητή t3 και επιλέγει τις εισόδους b, x1 5) Κύκλος 5 :Ενεργοποιεί τον καταχωρητή t4 και επιλέγει τις εισόδους -a, x2 6) Κύκλος 6 :Ενεργοποιεί τον καταχωρητή y2 εξόδου και επιλέγει τις εισόδους t3, t4 Όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω, υπάρχουν δυο βασικοί τρόποι υλοποίησης μιας μονάδας ελέγχου : η μικροπρογραμματιζόμενη μονάδα ελέγχου και η μονάδα ελέγχου FSM. Στην περίπτωση της μικροπρογραμματιζόμενης μονάδας ελέγχου απαιτούνται τρία βασικά κυκλώματα : 1) Μετρητής των παλμών ρολογιού 2) Μνήμη ελέγχου όπου είναι αποθηκευμένο το μικροπρόγραμμα 3) Αποκωδικοποιητής και ενδεχομένως ενδιάμεσοι καταχωρητές διευθύνσεων και δεδομένων Πρώτο μέλημα λοιπόν στην σχεδίαση της μονάδας ελέγχου είναι η οργάνωση του περιεχομένου της μνήμης ελέγχου. Συγκεκριμένα η αντιστοίχιση σε κάθε bit μιας μικροεντολής ενός σήματος ελέγχου (είτε για καταχωρητή είτε για πολυπλέκτη) και η καταμέτρηση του πλήθους των μικροεντολών και σημάτων ελέγχου ώστε να αποφασιστεί το μέγεθος των βασικών κυκλωμάτων της μονάδας ελέγχου. 28

29 Ο μετρητής των παλμών ρολογιού αρχικοποιείται στο μηδέν και μετρά μέχρι τον αριθμό που αντιστοιχεί στην τελευταία διεύθυνση όπου είναι η αποθηκευμένη εντολή στην μνήμη ελέγχου. Στην μνήμη ελέγχου αποθηκεύονται οι μικροεντολές κατά σειρά με πρώτη αυτήν που πρόκειται να εκτελεστεί και ως πρώτη και κάθε μικροεντολή έχει ενεργά μόνο τα bits που αντιστοιχούν στα σήματα ελέγχου που απαιτείται να ενεργοποιηθούν για την ομαλή εκτέλεση της μικροεντολής. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα που αναφέρεται παραπάνω το πλήθος των σημάτων ελέγχου και συνεπώς το μήκος της λέξης ελέγχου είναι έξι δυαδικά ψηφία και έξι μικροεντολές πρέπει να εκτελεστούν (εδώ δεν συμπεριλαμβάνονται τα σήματα για τους πολυπλέκτες καθώς αυτοί συμμετέχουν μόνο στην βέλτιστη σχεδίαση). Συνεπώς ο μετρητής μετρά μέχρι το έξι και χρειάζεται ένας αποκωδικοποιητής έξι εισόδων. 29

30 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ SUIFvm 3.1. Γενικά χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής SUIFvm Κεντρική θέση στη ροή ανάλυσης εφαρμογών έχει η αρχιτεκτονική SUIFvm καθώς εκφράζει την IR στην οποία η υποδομή SUIF/MachSUIF αποδομεί μια εφαρμογή αλλά και καθορίζει στοιχεία μιας αρχιτεκτονικής ενός αφαιρετικού επεξεργαστή σε επίπεδο εικονικής μηχανής. Η SUIFvm IR είναι οργανώσιμη σε διαφορετικές μορφές γράφων (Πίνακας 3.1) οι οποίες αντιμετωπίζουν τα βασικά μπλοκ ως κόμβους (nodes): τέτοιοι είναι οι γράφοι ροής ελέγχου (CFG) και τα CFG με στατικές απλές αναθέσεις (SSA). Οι δύο αυτοί τύποι υποστηρίζονται από την επίσημη διανομή του MachSUIF. Σε κάθε συνάρτηση μιας εξεταζόμενης εφαρμογής αντιστοιχεί ένας γράφος CFG ή CFG-SSA. Τρίτοι ερευνητές έχουν προτείνει και υλοποιήσει την οργάνωση της SUIFvm IR σε μορφή στατικής απλής πληροφορίας (SSI) [Singe04] και CCDG (Συντεθειμένος Γράφος Εξάρτησης Ελέγχου) [She04], με το τελευταίο να είναι ένας τύπος Γράφου Εξάρτησης Προγράμματος (PDG) [Fer87]. Αναπαραστάσεις τύπου PDG έχουν το πλεονέκτημα της καταγραφής της συμπεριφοράς μιας εφαρμογής από έναν μόνο κατάλληλα ιεραρχημένο γράφο, κάτι που επιτρέπει την εφαρμογή βελτιστοποιήσεων σε ολόκληρο το πρόγραμμα. Καθώς όμως τα περάσματα βελτιστοποίησης και ανάλυσης της διανομής του MachSUIF και αυτά που αναπτύχθηκαν για τη διατριβή δέχονται τους τύπους CFG και SSA, δεν εξετάστηκε περαιτέρω η αξιοποίηση λογισμικού που αναφέρεται στις αναπαραστάσεις τύπου SSI και CCDG. 30