damian-guh / computer-architecture-notes

ASK

Sposób zarządzania złożonością systemów cyfrowych

• Abstrakcja - ukazywanie szczegółów kiedy nie są istotne
• Dyscyplina - celowe ograniczenie wyboru projektowania np. cyfrowa dyscyplina, dyskretne napięcie zamiast stałych.
• Trzy wyrazy ść
  1. Niehierarchiczność - system podzielony na moduły i ...
  2. Modułowość - dobrze zdefiniowane funkcjonalności i interfejsy
  3. Regularność ...?

Multiplekser

Układ kombinacyjny służący do wyboru jednego z kilku dostępnych sygnałów wejściowych i przekazanie go na wyjście Mux ma:

• k wejść informacyjnych, jest ich 2^n (x0, x1)
• n wejść adresowych (a0, a1)
• Y wyjście

         ______
a0 ---- |      |
a1 ---- |      |
x0 ---- | AND  |-- Y
x1 ---- |      |
         ------

Dekoder

Należy do klasy układów kombinacyjnych, układ posiadający n wejść oraz k = 2^n wyjść. Jego działanie polega na zamianie NKB o długości n na kod "1 z k". W zależności od ilości wyjść nazywa się go dekoderem 1 z N

      _______
D0 --|       |
D1 --|       |--- Y0 00
     |       |
     |       |--- Y1 01
     |       |
     |       |
     |       |
     |       |--- Y2 10
     |       |
     |       |--- Y3 11
     |_______|

Opóźnienia propagacji i konkatenacji

Opóźnienia propagacji - czas pomiędzy zmianą stanu wejść, a chwilą ustalenia stanu wyjścia. Przyczyny:

• prędkość światła
• obwody zwalniają gdy są gorące i przyśpieszają gdy są zimne
• wiele wejść i wyjść jest starszych, z których niektóre są szybsze niż inne Suma propagacji to suma opóźnień każdej bramki na ścieżce krytycznej

Opóźnienie konkatenacji - czas minimalny od momentu wejścia do momentu zmiany sygnału w obwodzie, przyczyny są takie same.

Rozwiązaniem jest budowanie najbardziej jak to możliwe prostych obwodów.

Glitch

Oznacza że pojedyncza zmiana wejścia może spowodować wiele zmian wyjścia. W obwodach, gdzie na bramce na jeden sygnał musi czekać na drugi..? Występuje w obwodach kombinacyjnych. Rozwiązaniem jest rysowanie więcej obszarów w k mapach.

Zatrzask D i przerzutnik D

Główna różnica między zatrzaskiem D a przerzutnikiem D polega na sposobie działania i synchronizacji. Zatrzask D jest asynchroniczny i reaguje na zmiany wejścia bezpośrednio (przesyła na wyjście gdy CLK = 1 a gdy CLK = 0 pozostaje ten sam stan), podczas gdy przerzutnik D jest synchroniczny i reaguje na zmiany wejścia tylko w określonym momencie, synchronizowanym przez zegar (gdy jego wartośc wzrasta z 0 do 1, dla pozostałych sytuacji przechowuje poprzednią wartość Q). Przerzutnik D jest bardziej powszechnie stosowany w układach cyfrowych, ponieważ jego synchroniczność pomaga w unikaniu błędów i zagwarantowaniu prawidłowego działania.

Zatrzask SR

S	R	Q	Q'
0	0	Qprev	Q'prev
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	-	-

Pół sumator i pełny sumator

Półsumator - ma dwa wejścia i wyjścia. Zmiennymi wyjściowymi są bity składników dodawania, które są sumowane, a zmienne wyjściowe tworzą bity sumy i przeniesienia.

A	B	Cout	S
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	0

Pełny sumator - realizuje sumę trzech bitów (dwa bity znaczące i bit przeniesienia z poprzedniej pozycji). Sumator posiada dwa wejścia A i B oraz Cin, który jest bitem przeniesienia z poprzedniej pozycji. Na wyjściu S otrzymujemy sumę, a Cout to przeniesienie do następnej pozycji

Cin	A	B	Cout	S
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	1	1

Rodzaje sumatorów

• Szeregowy - podczas każdej operacji dodają one dwa bity składników oraz bit przeniesienia Zalety: sumowanie liczb n-bitowych, gromadzenie wyników Wady: wolne
• Równoległy - dodaje do siebie jednocześnie wszystkie bity ze wszystkich pozycji, a przeniesienie jest realizowane od w zależności od połączenia sumatorów jednobitowych Zalety: prosty, łatwa budowa Wady: sumowanie liczb k *4 bitowych
• Prefiksowy Zalety: szybki, najkrótszy czas

ALU

Alu - jednostka arytmetyczno-logiczna, która jest kluczowym elementem procesora Realizuje:

• dodawanie i odejmowanie
• mnożenie i dzielenie
• operacje logiczne
• przesunięcia bitowe
• porównywanie i testowanie warunków

Elementy jednostki to:

• rejestry wejściowe i wynikowe
• wybór operacji
• blok logiczny i arytmetyczny
• sygnały kontrolne

Rejestry MIPS

Nazwa	Numer rejestru	Opis
$0	0	Zawsze równy zero
$at	1	Assembler tymczasowy
$v0-$v1	2-3	Zwraca wartość funkcji
$a0-$a3	4-7	Argumenty funkcji
$t0-$t7	8-15	Tymczasowe
$s0-$s7	16-23	Zapisane zmienne
$t8-$t9	24-25	Tymczasowe
$k0-$k1	26-27	Zarezerwowane dla OS
$gp	28	Wskaźnik globalny
$sp	29	Wskaźnik stosu
$fp	30	Wskaźnik ramki stosu
$ra	31	Adres powrotu funkcji

Organizacja pamięci w MIPS

• Text - przechowuje program w języku maszynowym
• Global Data - segment danych globalnych przechowujący zmienne globalne, zmienne mogą być widoczne dla wszystkich procedur w programie
• Dynamic Data - segment danych dynamicznych zawiera stos i sterte. Dane są dynamiczne przydzielane podczas wykonywania programu.
• Reserved - zarezerwowane segmenty są używane przez OS i nie moga być używane podczas wykonywania programu

Mapa pamięci
Reserved
Dynamic Data
Global Data
Text
Reserved

R-Type (Rejestrowe)

• rs, rt (5 bit) rejestry źródłowe
• rd (5 bit) rejestr docelowy
• op (6 bit) op code (R-type = 0)
• funct (6 bit) - funkcje z opcode
• shamt (5 bit) - liczba przesunięcia dla instrukcji z przesunięciem

Przykład: add, sub

I-Type (Bezpośredni)

• rs, rt (5 bit) rejestry operandów
• imm (6 bit) bezpośrednie 16 bitowe w kodzie u2
• op Przykład: addi, lw

Pseudoinstrukcje

Są to instrukcje, które nie mają bezpośredniej implementacji sprzętowej. Pełnią rolę udogodnienia. Assembler tłumaczy je na rzeczywiste instrukcje mips np. clear, more

Wyjątki

Są to nieplanowane wywołania procedury, który przeskakuje pod nowy adres. Wyjątki są spowodowane przez sprzęt lub oprogramowanie

• Przerwanie systemowe
• Wywołanie systemowe
• Dzielenie przez 0
• Niezidentyfikowana instrukcja
• Arytmetyczne przepełnienie

Rodzaje architektur

• Risc - duży zestaw rejestrów, rzadkie odwołanie do pamieci i szybka jednostka wykonawcza

  • Zalety: duża szybkość ułatwionego rozkodowania rozkazów, ułatwienie zwiększenia częstotliwości zegara
  • Wady: duża liczba rozków w kodzie, konieczne szybkie przesyłanie rozkazów z pamięci

• Cisc - Czeste odwołanie do pamięci, mały zestaw rejestrów, złożone rozkazy

  • Zalety: zmniejszona liczba rozkazów w skomplikowanym kodzie
  • Wady: złożone dekodowanie rozkazów, utrudnione przetwarzanie potokowe

Hazard

Krótkotrwałe zakłócenia stany logicznego na wyjściu układu. Powstanie hazardu spowodowane jest opóźnieniami na poszczególnych bramkach w układach logicznych Typy:

• statyczny - zmiana w chwili gdy wejście powino zostać w stanie niezmienionym
• dynamiczny - kilkukrotna zmiana stanu wyjścia przez zmianę stanu wejścia Likwidacji tego najlepiej dokonać przez wprowadzenie dodatkowych implikantów