Unitatea de comandă

Ne vom familiariza cu formatul instrucțiunilor calculatorului didactic și cu modul de funcționare al unității de comandă. În acest scop se vor implementa în Verilog interpretarea și comandarea execuției pentru instrucțiunile specificate în arhitectura calculatorului didactic studiat la curs.

Componentele calculatorului didactic implementate anterrio registre, UAL formează unitatea de execuție a procesorului. Pentru ca acestea să rețină date și să execute instrucțiunile procesorului, avem nevoie de o logică hardware de comandă a acestora, logică implementată în unitatea de comandă.

În interiorul unui procesor, instrucțiunile trec prin mai multe etape. Pentru calculatorul didactic avem următoarele etape:

• Fetch - aducerea instrucțiunii din memorie în registrul instrucțiune (RI)
• Decode - decodificarea instrucțiunii
• Load - încărcarea operanzilor
• Execute - executarea instrucțiunii
• Store - scrierea rezultatului (dacă este cazul)

Unitatea de comandă este implicată în toate etapele de mai sus: comandă prin semnalare aducerea codurilor instrucțiunilor din memorie, le decodifică și transmite semnale către unitățile (registre, UAL, memorie) implicate în execuția acelor instrucțiuni. La terminarea execuției fiecărei instrucțiuni se comandă scrierea rezultatului (dacă este cazul) și se actualizează registrul CP (Contor Program) cu adresa instrucțiunii următoare.

Ce trebuie să facă unitatea de comandă atunci când trebuie executată o instrucțiune aritmetică logică cu un operand? De exemplu INC RA.

• Semnale către CP și AM: valoarea din CP e pusă pe magistrală și scrisă în AM;
• Semnale către AM și memorie pentru a lua valoarea (codul instrucțiunii) de la adresa specificată de AM;
• Semnal către RAM pentru a pune valoarea pe magistrală și către RI pentru a pune codul instrucțiunii în el;
• Decodificare instrucțiune;
• Semnal către blocul de registre generale pentru a determina activarea conținutului lui RA pe magistrală și semnal către T1 pentru a încărca valoarea aflată în acest moment pe magistrală;
• Semnal către UAL ce indică operația INC;
• Semnal către IND pentru ca UAL-ul să poată scrie flagurile;
• Semnal către blocul de registre generale pentru a încărca în RA valoarea de pe magistrală;
• Incrementarea CP pentru adresa instrucțiunii următoare - semnal către CP pentru a scrie în el.

Implementare

Unitatea de comandă este implementată ca un automat de stări. Modulul acesteia are următoarele semnale:

• intrări: clk, rst, ri (codul instrucțiunii), ind (indicatorii de condiție)
• ieșiri:
  • semnale oe (output-enable) și we (write-enable) pentru registre, bancul de registre, memorie și unitatea aritmetică logică (doar oe)
  • alu_opcode - codul operației ce trebuie efectuată de unitatea aritmetică logică
  • alu_carry - carry-ul folosit de UAL în cadrul operației ce trebuie să o execute
  • regs_addr - indexul unui registru din bancul de registre
  • ind_sel - controlează sursa de scriere în registrul IND (0 = bus, 1 = alu flags)

Automatul trebuie să ofere stări pentru:

• aducerea instrucțiunii din memorie în registrul RI
• decodificarea codului instrucțiunii pentru identificarea operației ce trebuie efectuate și a operanzilor acesteia (dacă este cazul)
• interpretarea fiecărei instrucțiuni. Aceasta se traduce printr-o serie de stări care setează semnalele de output ale modulului pentru a comanda execuția instrucțiunii.
• incrementarea registrului CP

În implementarea unității de comandă vom considera că UAL-ul va pune rezultatul în T1, și de acolo va fi transferat în registre sau în memorie. Această convenție face mai simple și mai clare stările care comandă execuția operațiilor aritmetice-logice.

Codificarea instrucțiunilor

Figure: Formatul instrucțiunilor calculatorului didactic

• COP - codul operației, 7 biți
  • bitul [0] - separă instrucțiunile care folosesc o adresă efectivă de cele care nu folosesc:
    • 0 - instrucțiuni cu calcul de adresă efectivă
    • 1 - instrucțiuni fără calcul de adresă efectivă (salturi condiționate, RET etc.)
  • bitul [1] - separă instrucțiunile care au 1 operand de cele cu 2 operanzi:
    • 0 - un operand
    • 1 - doi operanzi
  • bitul [2] - separă instrucțiunile cu operand imediat de cele fără operand imediat:
    • 0 - fără operand imediat
    • 1 - cu operand imediat
  • bitul [3] - separă instrucțiunile de transfer de date/control de celelalte:
    • 0 - transfer de date/control (MOV, PUSH, CALL etc.) sau care nu salvează rezultatul (CMP, TEST)
    • 1 - instrucțiuni aritmetico-logice cu salvarea rezultatului, salturi condiționate
  • biții [4][5][6] - cod operație
• d - pentru instrucțiunile cu doi operanzi, folosit pentru a ști care e primul și care e al doilea dintre cele două câmpuri REG și RM din codul instrucțiunii:
  • 0 - RM = RM op REG
  • 1 - REG = REG op RM
• MOD - modul de calcul al adresei efective (4 moduri - 2 biți)
• REG - indexul registrului care conține unul dintre operanzi
• RM - indexul registrului care conține unul dintre operanzi

Instrucțiune	Funcție	Cod RI[0:6]
INC	op = op + 1	0001 000
DEC	op = op - 1	0001 001
NEG	op = -op	0001 010
NOT	op = ~op	0001 011
SHL/SAL	op = op << 1	0001 100
SHR	op = op >> 1	0001 101
SAR	op = op >>> 1	0001 110

Table: _Instrucțiuni aritmetice-logice cu un operand

De exemplu, pentru instrucțiunea INC RA grupul este cel al operațiilor cu calcul de adresă efectivă (RI[0] = 0), cu un singur operand (RI[1] = 0), fără operand imediat (RI[2] = 0) și cu salvarea rezultatului (RI[3] = 1).

Pentru orice procesor, fiecare instrucțiune definită în arhitectura setului său de instrucțiuni, are un anumit cod unic după care este identificată. Atunci când se stochează o instrucțiune care lucrează cu cel puțin un operand, nu este suficient să avem doar codul său (care indică ce acțiune trebuie efectuată), ci trebuie să avem și niște biți care să ne indice de unde luăm operanzii, așa cum este ilustrat și în imaginea de mai jos.

Dacă MOD = 3 (adresare directă la registru) și instrucțiunea are un singur operand, acesta este pus în RM.

Se poate observa că în cadrul unora din grupurile de operații au rămas codificări nefolosite pe biții 4:6. Dacă se extinde setul de instrucțiuni cu noi operații (vedeți în curs :!:), atunci codul acestora poate fi unul din cele nefolosite (atâta timp cât se încadrează în acel grup).

Exemplu de calcul cod operație pentru instrucțiune DEC RB:

• [0] = 0 - cu calcul de adresă efectivă
• [1] = 0 - un operand
• [2] = 0 - fără operand imediat
• [3] = 1 - operație aritmetică cu salvarea rezultatului
• [4,5,6] = [0,0,1] - codul dat operației (stabilit de arhitectură)
• [7] = 0/1 - nu contează, îl putem pune 0 sau 1
• [8,9] = [1,1] - modul de adresare (directă la registru)
• [10,11,12] = [0,0,0] - nu folosim REG, deci nu contează ce punem
• [13,14,15] = [0,0,1] - indexul registrului RB în bancul de registre

15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
1	0	0	0	0	0	1	1	0	1	0	0	1	0	0	0

Instrucțiunile care vor fi implementate în acest laborator se regăsesc în tabelul de mai jos. Acestea sunt instrucțiuni aritmetice și logice cu doi operanzi ale căror valori sunt în registrele generale și fie pun un rezultat înapoi în registrul destinație, fie nu stochează rezultatul ci doar setează indicatorii de condiție (CMP și TEST).

Instrucțiune	Funcție	Cod RI[0:6]
ADD	opdst = opdst + opsrc	0101000
ADC	opdst = opdst + opsrc + carry	0101001
SUB	opdst = opdst - opsrc	0101010
SBB	opdst = opdst - opsrc - carry	0101011
AND	opdst = opdst & opsrc	0101100
OR	opdst = opdst | opsrc	0101101
XOR	opdst = opdst ^ opsrc	0101110
CMP	opdst - opsrc, fără stocare rezultat, doar setare indicatori	0100010
TEST	opdst & opsrc, fără stocare rezultat, doar setare indicatori	0100100

Table: _Instrucțiuni aritmetice-logice cu doi operanzi

Pentru decodificarea instrucțiunilor din acest laborator trebuie sa identificăm atât grupul instrucțiunilor aritmetice-logice cu doi operanzi, fără operand imediat și care stochează rezultatul (RI_0..3 = 0101) cât și cele care nu stochează rezultatul (RI_0..3 = 0100).

Adresarea directă la registru

Operanzii se găsesc în registrele specificate de câmpurile REG și RM. Pentru a selecta ordinea operanzilor din aceste două câmpuri, trebuie să ținem cont de valoarea din bitul d. Vom folosi adresarea directă la registru (câmpul mod trebuie să conțină valoarea 2'b11), așa cum se observă în imaginea de mai jos.

Figure: Adresarea directă la registru pentru instrucțiuni cu doi operanzi

Instrucțiunea AND RA, RB efectuează ȘI logic între cei doi operanzi și pune rezultatul în registrul destinație (RA). Un exemplu de calcul al codului operației se regăsește mai jos:

• [0] = 0 - cu calcul de adresă efectivă
• [1] = 1 - doi operanzi
• [2] = 0 - fără operand imediat
• [3] = 1 - operație aritmetică cu salvarea rezultatului
• [4,5,6] = [1,0,0] - codul dat operației (stabilit de arhitectură)
• [7] - selectează operandul destinație. Pentru exemplul acesta vom considera că acest bit ia valoarea 1 (destinația va fi registrul RA):
  • 1: REG = REG AND RM
• [8,9] = [1,1] - modul de adresare (folosim adresarea directă la registru)
• [10,11,12] = [0,0,0] - indexul registrului RA în bancul de registre
• [13,14,15] = [0,0,1] - indexul registrului RB în bancul de registre

15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
1	0	0	0	0	0	1	1	1	0	0	1	1	0	1	0