Limitations• Instruction level para

Limitations
• Instruction level parallelism
• Compiler based optimisation
• Hardware techniques
• Limited by
—True data dependency
—Procedural dependency
—Resource conflicts
—Output dependency
—Antidependency
Micro-programmed Control
• Use sequences of instructions (see earlier
notes) to control complex operations
• Called micro-programming or firmware
Implementation (1)
• All the control unit does is generate a set
of control signals
• Each control signal is on or off
• Represent each control signal by a bit
• Have a control word for each microoperation
• Have a sequence of control words for each
machine code instruction
• Add an address to specify the next microinstruction, depending on conditions
Implementation (2)
• Today’s large microprocessor
—Many instructions and associated register-level
hardware
—Many control points to be manipulated
• This results in control memory that
—Contains a large number of words
– co-responding to the number of instructions to be
executed
—Has a wide word width
– Due to the large number of control points to be
manipulated
Micro-program Word Length
• Based on 3 factors
—Maximum number of simultaneous microoperations supported
—The way control information is represented or
encoded
—The way in which the next micro-instruction
address is specified
Micro-instruction Types
• Each micro-instruction specifies single (or
few) micro-operations to be performed
— (vertical micro-programming)
• Each micro-instruction specifies many
different micro-operations to be
performed in parallel
—(horizontal micro-programming)
Vertical Micro-programming
• Width is narrow
• n control signals encoded into log
2
n bits
• Limited ability to express parallelism
• Considerable encoding of control
information requires external memory
word decoder to identify the exact control
line being manipulated
Horizontal Micro-programming
• Wide memory word
• High degree of parallel operations possible
• Little encoding of control information
Typical Microinstruction Formats
Compromise
• Divide control signals into disjoint groups
• Implement each group as separate field in
memory word
• Supports reasonable levels of parallelism
without too much complexity
Organization of
Control Memory
Control Unit
Control Unit Function
• Sequence login unit issues read command
• Word specified in control address register is read
into control buffer register
• Control buffer register contents generates control
signals and next address information
• Sequence login loads new address into control
buffer register based on next address information
from control buffer register and ALU flags
Next Address Decision
• Depending on ALU flags and control buffer
register
—Get next instruction
– Add 1 to control address register
—Jump to new routine based on jump
microinstruction
– Load address field of control buffer register into
control address register
—Jump to machine instruction routine
– Load control address register based on opcode in IR
Functioning of Microprogrammed
Control Unit
Wilkes Control
• 1951
• Matrix partially filled with diodes
• During cycle, one row activated
—Generates signals where diode present
—First part of row generates control
—Second generates address for next cycle
Wilkes's Microprogrammed Control Unit
Advantages and Disadvantages of
Microprogramming
• Simplifies design of control unit
—Cheaper
—Less error-prone
• Slower
Tasks Done By Microprogrammed
Control Unit
• Microinstruction sequencing
• Microinstruction execution
• Must consider both together
Design Considerations
• Size of microinstructions
• Address generation time
—Determined by instruction register
– Once per cycle, after instruction is fetched
—Next sequential address
– Common in most designed
—Branches
– Both conditional and unconditional
Sequencing Techniques
• Based on current microinstruction,
condition flags, contents of IR, control
memory address must be generated
• Based on format of address information
—Two address fields
—Single address field
—Variable format
Branch Control Logic:
Two Address Fields
Branch Control
Logic: Single
Address Field
Branch Control
Logic: Variable
Format
Address Generation
Explicit Implicit
Two-field Mapping
Unconditional Branch Addition
Conditional branch Residual control
Execution
• The cycle is the basic event
• Each cycle is made up of two events
—Fetch
– Determined by generation of microinstruction
address
—Execute
Execute
• Effect is to generate control signals
• Some control points internal to processor
• Rest go to external control bus or other
interface
Control Unit
Organization
A Taxonomy of Microinstructions
• Vertical/horizontal
• Packed/unpacked
• Hard/soft microprogramming
• Direct/indirect encoding
Improvements over Wilkes
• Wilkes had each bit directly produced a
control signal or directly produced one bit
of next address
• More complex address sequencing
schemes,
• using fewer microinstruction bits, are
possible
• Require more complex sequencing logic
module
• Control word bits can be saved by
encoding and subsequently decoding
control information
How to Encode
• K different internal and external control signals
• Wilkes’s:
— K bits dedicated
— 2K control signals during any instruction cycle
• Not all used
— Two sources cannot be gated to same destination
— Register cannot be source and destination
— Only one pattern presented to ALU at a time
— Only one pattern presented to external control bus at a time
• Require Q < 2K which can be encoded with log2Q < K bits
• Not done
— As difficult to program as pure decoded (Wilkes) scheme
— Requires complex slow control logic module
• Compromises
— More bits than necessary used
— Some combinations that are physically allowable are not
possible to encode
Specific Encoding Techniques
• Microinstruction organized as set of fields
• Each field contains code
• Activates one or more control signals
• Organize format into independent fields
—Field depicts set of actions (pattern of control
signals)
—Actions from different fields can occur
simultaneously
• Alternative actions that can be specified
by a field are mutually exclusive
—Only one action specified for field could occur
at a time
Microinstruction Encoding
Direct Encoding
Microinstruction Encoding
Indirect Encoding
Required Reading
• Stallings chapter 17

Kết quả (Việt) 1:

Hạn chế• Hướng dẫn cấp xử lý song songTối ưu hóa trình biên dịch dựa •• Phần cứng kỹ thuật• Giới hạn bởi— Thật sự dữ liệu phụ thuộc-Thủ tục phụ thuộc-Xung đột tài nguyên-Sản lượng phụ thuộc-AntidependencyLập trình vi điều khiển• Sử dụng chuỗi của hướng dẫn (xem trước đóghi chú) để kiểm soát các hoạt động phức tạp• Gọi là lập trình vi hoặc phần mềmThực hiện (1)• Tất cả các đơn vị kiểm soát hiện tạo ra một bộcủa tín hiệu điều khiển• Mỗi tín hiệu điều khiển là Baät hoaëc taét• Đại diện cho mỗi tín hiệu điều khiển bởi một chút• Có một điều khiển từ cho mỗi microoperation• Có một chuỗi các điều khiển từ cho mỗihướng dẫn máy mã• Thêm một địa chỉ để xác định tiếp theo microinstruction, tùy thuộc vào điều kiệnThực hiện (2)• Hôm nay của bộ vi xử lý lớn-Nhiều hướng dẫn và các liên kết đăng ký cấpphần cứng-Nhiều người điều khiển điểm để được thao tác• Kết quả kiểm soát bộ nhớ mà-Có một số lớn các từ-đồng đáp ứng số lượng các hướng dẫn đượcthực hiện-Có chiều rộng rộng từ-Do để số lớn các điểm kiểm soát đểchế tácMicro-chương trình Word chiều dài• Dựa trên 3 yếu tố-Tối đa số lượng đồng thời microoperations hỗ trợ— Thông tin kiểm soát cách đại diện hoặcmã hóa-Cách mà trong đó các vi kế tiếp, hướng dẫnđịa chỉ được chỉ địnhCác loại vi-hướng dẫn• Mỗi vi hướng dẫn chỉ định duy nhất (hoặcvài) vi hoạt động được thực hiện— (vertical micro-programming)• Each micro-instruction specifies manydifferent micro-operations to beperformed in parallel—(horizontal micro-programming)Vertical Micro-programming• Width is narrow• n control signals encoded into log2n bits• Limited ability to express parallelism• Considerable encoding of controlinformation requires external memoryword decoder to identify the exact controlline being manipulatedHorizontal Micro-programming• Wide memory word• High degree of parallel operations possible• Little encoding of control informationTypical Microinstruction FormatsCompromise• Divide control signals into disjoint groups• Implement each group as separate field inmemory word• Supports reasonable levels of parallelismwithout too much complexityOrganization ofControl MemoryControl UnitControl Unit Function• Sequence login unit issues read command• Word specified in control address register is readinto control buffer register• Control buffer register contents generates controlsignals and next address information• Sequence login loads new address into controlbuffer register based on next address informationfrom control buffer register and ALU flagsNext Address Decision• Depending on ALU flags and control bufferregister—Get next instruction– Add 1 to control address register—Jump to new routine based on jumpmicroinstruction– Load address field of control buffer register intocontrol address register—Jump to machine instruction routine– Load control address register based on opcode in IRFunctioning of MicroprogrammedControl UnitWilkes Control• 1951• Matrix partially filled with diodes• During cycle, one row activated—Generates signals where diode present—First part of row generates control—Second generates address for next cycleWilkes's Microprogrammed Control UnitAdvantages and Disadvantages ofMicroprogramming• Simplifies design of control unit—Cheaper—Less error-prone• SlowerTasks Done By MicroprogrammedControl Unit• Microinstruction sequencing• Microinstruction execution• Must consider both togetherDesign Considerations• Size of microinstructions• Address generation time—Determined by instruction register– Once per cycle, after instruction is fetched—Next sequential address– Common in most designed—Branches– Both conditional and unconditionalSequencing Techniques• Based on current microinstruction,condition flags, contents of IR, controlmemory address must be generated• Based on format of address information—Two address fields—Single address field—Variable formatBranch Control Logic:Two Address FieldsBranch ControlLogic: SingleAddress FieldBranch ControlLogic: VariableFormatAddress GenerationExplicit ImplicitTwo-field MappingUnconditional Branch AdditionConditional branch Residual controlExecution• The cycle is the basic event• Each cycle is made up of two events—Fetch– Determined by generation of microinstructionaddress—ExecuteExecute• Effect is to generate control signals• Some control points internal to processor• Rest go to external control bus or otherinterfaceControl UnitOrganizationA Taxonomy of Microinstructions• Vertical/horizontal• Packed/unpacked• Hard/soft microprogramming• Direct/indirect encodingImprovements over Wilkes• Wilkes had each bit directly produced acontrol signal or directly produced one bitof next address• More complex address sequencingschemes,• using fewer microinstruction bits, arepossible• Require more complex sequencing logicmodule• Control word bits can be saved byencoding and subsequently decodingcontrol informationHow to Encode• K different internal and external control signals• Wilkes’s:— K bits dedicated— 2K control signals during any instruction cycle• Not all used— Two sources cannot be gated to same destination— Register cannot be source and destination— Only one pattern presented to ALU at a time— Only one pattern presented to external control bus at a time• Require Q < 2K which can be encoded with log2Q < K bits• Not done— As difficult to program as pure decoded (Wilkes) scheme— Requires complex slow control logic module• Compromises— More bits than necessary used— Some combinations that are physically allowable are not
possible to encode
Specific Encoding Techniques
• Microinstruction organized as set of fields
• Each field contains code
• Activates one or more control signals
• Organize format into independent fields
—Field depicts set of actions (pattern of control
signals)
—Actions from different fields can occur
simultaneously
• Alternative actions that can be specified
by a field are mutually exclusive
—Only one action specified for field could occur
at a time
Microinstruction Encoding
Direct Encoding
Microinstruction Encoding
Indirect Encoding
Required Reading
• Stallings chapter 17

Kết quả (Việt) 2:

Hạn chế
• Hướng dẫn cấp song song
• Compiler dựa tối ưu hóa
kỹ thuật • Phần cứng
• Hạn chế bởi
-True phụ thuộc dữ liệu
phụ thuộc -Procedural
-Resource xung đột
phụ thuộc -Output
-Antidependency
Micro-lập trình điều khiển
• Sử dụng các trình tự của hướng dẫn (xem trước
ghi chú) để kiểm soát hoạt động phức tạp
• Được gọi là vi lập trình firmware
thực hiện (1)
• Tất cả các đơn vị kiểm soát, không có gì tạo ra một tập hợp
các tín hiệu điều khiển
• Mỗi tín hiệu điều khiển hoặc tắt
• Đại diện cho mỗi tín hiệu điều khiển bởi một bit
• Có một từ điều khiển cho mỗi microoperation
• Có một chuỗi của từ điều khiển cho mỗi
lệnh mã máy
• Thêm một địa chỉ để xác định vi lệnh tiếp theo, tùy thuộc vào điều kiện
thực hiện (2)
bộ vi xử lý lớn • Hôm nay của
hướng dẫn -Nhiều và liên kết đăng ký cấp
phần cứng
các điểm kiểm soát -Nhiều để được thao tác
• Kết quả kiểm soát nhớ rằng
-Contains một số lượng lớn các từ
- đồng ứng phó với các số hướng dẫn để được
thực thi
-Has có chiều rộng từ rộng
- Do số lượng lớn các điểm kiểm soát được
chế tác
Micro-chương trình dài của khung
• Dựa trên 3 yếu tố
- Số lượng tối đa của microoperations đồng thời hỗ trợ
-Các cách kiểm soát thông tin được đại diện hoặc
mã hóa
-Các cách thức mà các vi lệnh tiếp theo
địa chỉ được chỉ định
loại Micro-hướng dẫn
• Mỗi vi hướng dẫn xác định duy nhất (hoặc
vài) vi hoạt động được thực hiện
- (dọc vi lập trình)
• Mỗi vi hướng dẫn xác định nhiều
vi hoạt động khác nhau được
thực hiện song song
- (ngang vi lập trình)
Vertical Micro-lập trình
• Độ rộng hẹp
• tín hiệu n kiểm soát mã hóa vào log
2
n bit
• Khả năng TNHH để thể hiện song song
• mã hóa đáng kể kiểm soát
thông tin đòi hỏi bên ngoài bộ nhớ
giải mã từ để xác định sự kiểm soát chính xác
đường bị thao túng
ngang Micro-lập trình
• Wide từ bộ nhớ
độ • cao của hoạt động song song có thể
• Ít mã hóa các thông tin điều khiển
điển hình dạng vi lệnh
thỏa hiệp
• Kiểm soát Divide tín hiệu vào nhóm rời nhau
• Thực hiện từng nhóm như lĩnh vực riêng biệt trong
từ bộ nhớ
• Hỗ trợ mức hợp lý song song
mà không có quá nhiều phức tạp
Tổ chức
kiểm soát Memory
Control Unit
Control Unit Chức năng
• Các vấn đề đơn vị đăng nhập trình tự đọc lệnh
• Từ quy định tại địa chỉ kiểm soát đăng ký được đọc
vào Kiểm soát đăng ký đệm
• Kiểm soát nội dung đăng ký đệm tạo kiểm soát
tín hiệu và địa chỉ tiếp theo thông tin
tải đăng nhập • Chuỗi địa chỉ mới vào kiểm soát
đăng ký đệm dựa trên các thông tin địa chỉ tiếp theo
từ đăng ký kiểm soát đệm và ALU cờ
Tiếp Địa chỉ Quyết định
• Tùy thuộc vào ALU cờ và kiểm soát đệm
đăng ký
- Nhận lệnh kế tiếp
- Thêm 1 địa chỉ để kiểm soát đăng ký
-Jump thói quen mới dựa trên nhảy
vi lệnh
- Load trường địa chỉ của bộ đệm kiểm soát đăng ký vào
địa chỉ điều khiển đăng ký
-Jump để hướng dẫn máy thường xuyên
- Load địa chỉ kiểm soát đăng ký dựa trên opcode trong IR
chức năng của Microprogrammed
Control Unit
Wilkes kiểm soát
• 1951
• Matrix một phần đầy với điốt
• Trong chu kỳ, một hàng kích hoạt
-Generates tín hiệu nơi diode hiện
phần -Trước hàng tạo kiểm soát
-thứ hai tạo địa chỉ cho chu kỳ tiếp theo
Microprogrammed Control Unit Wilkes của
Ưu điểm và nhược điểm của
Microprogramming
• Đơn giản hóa thiết kế của đơn vị điều khiển
-Cheaper
dễ bị lỗi -Less
• Slower
Nhiệm vụ Done Bởi Microprogrammed
Control Unit
• vi lệnh trình tự
• thực hiện vi lệnh
• Phải xem xét cả hai cùng nhau
cân nhắc thiết kế
• Kích thước của vi lệnh
• thời gian thế hệ Địa chỉ
-Determined bởi hướng dẫn đăng ký
- Một lần trên mỗi chu kỳ, sau khi dạy được lấy
-Next tuần tự địa chỉ
- thường gặp trong thiết kế hầu hết
-Branches
- Cả hai có điều kiện và không điều kiện
kỹ thuật giải trình tự
• Dựa trên vi lệnh hiện hành,
cờ điều kiện, nội dung của IR, kiểm soát
địa chỉ bộ nhớ phải được tạo ra
• Dựa trên định dạng của thông tin địa chỉ
-Hai trường địa chỉ
-Single trường địa chỉ
dạng -Variable
Chi nhánh điều khiển Logic:
Hai Trường Địa chỉ
Chi nhánh điều khiển
Logic: Độc thân
Địa chỉ Dòng
Branch khiển
Logic: Variable
Format
Địa chỉ hệ
Explicit Implicit
Hai lĩnh vực bản đồ
vô điều kiện Chi nhánh Addition
chi nhánh có điều kiện kiểm soát dư
Execution
• Các chu kỳ là sự kiện cơ bản
• Mỗi chu kỳ được tạo thành từ hai sự kiện
-Fetch
- Quyết tâm của thế hệ của vi lệnh
địa chỉ
-Execute
Execute
• Effect là để tạo ra tín hiệu điều khiển
• Một số điểm kiểm soát nội bộ để xử lý
• Nghỉ ngơi đi bus điều khiển bên ngoài hoặc khác
giao diện
Control Unit
Tổ chức
A Phân loại vi lệnh
• / dọc ngang
• đóng gói / giải nén
• cứng / mềm microprogramming
• Trực tiếp / mã hóa gián tiếp
cải thiện hơn Wilkes
• Wilkes đã từng bit trực tiếp sản xuất một
tín hiệu điều khiển hoặc trực tiếp sản xuất một bit
của địa chỉ tiếp theo
• Địa ​​chỉ phức tạp hơn trình tự
các đề án,
• sử dụng bit vi lệnh ít hơn, là
có thể
• Yêu cầu giải trình tự logic phức tạp hơn
mô-đun
bit từ • Kiểm soát có thể được lưu lại bằng
mã hóa và sau đó giải mã
thông tin điều khiển
như thế nào để mã hóa
• K tín hiệu kiểm soát nội bộ và bên ngoài khác nhau
• Wilkes của:
- K bit dành riêng
- 2K kiểm soát tín hiệu trong bất kỳ hướng dẫn chu kỳ
• Không phải tất cả sử dụng
- Hai nguồn không thể được gated đến cùng đích
- Đăng ký không thể là nguồn và đích
- Chỉ có một mẫu trình bày cho ALU tại một thời điểm
- Chỉ có một mẫu trình bày cho bus điều khiển bên ngoài tại một thời gian
• Yêu cầu Q <2K mà có thể được mã hóa với log2Q <K bit
• Không thực hiện
- Khi khó khăn cho chương trình giải mã (Wilkes) chương trình như tinh khiết
- Yêu cầu phức tạp chậm môđun điều khiển Logic
• thỏa hiệp
- More bit hơn mức cần thiết sử dụng
- Một số kết hợp mà có thể chất cho phép không
có thể mã hóa các
kỹ thuật mã hóa cụ thể
• vi lệnh tổ chức như tập các lĩnh vực
• Mỗi lĩnh vực có chứa mã
• Kích hoạt một hoặc nhiều tín hiệu điều khiển
• Tổ chức các định dạng vào các lĩnh vực độc lập
-Field mô tả thiết lập các hành động (mô hình điều khiển
tín
hiệu) -Actions từ các lĩnh vực khác nhau có thể xảy ra
đồng thời
• Các hành động thay thế có thể được xác định
bởi một lĩnh vực loại trừ lẫn nhau
-Only một hành động cụ thể cho các lĩnh vực có thể xảy ra
tại một thời điểm
vi lệnh Encoding
Direct Encoding
vi lệnh Encoding
gián tiếp Encoding
buộc Reading
• Stallings chương 17