Institiutt for informatikk og e-læring, NTNU Kontrollenheten Geir Ove Rosvold 4. januar 2016 Opphavsrett: Forfatter og Stiftelsen TISIP

Transkript

1 Geir Ove Rosvold 4. januar 2016 Opphavsrett: Forfatter og Stiftelsen TISIP Resymé: I denne leksjonen ser vi på kontrollenheten. s funksjon diskuteres, og vi ser på de to måtene en kontrollenhet kan bygges opp på, nemlig med hardlogikk og med mikroprogrammering. Innhold 1.1. KONTROLLENHETEN s oppgaver s funksjon KONTROLLENHETENS OPPBYGGING Hardlogikk Mikroprogrammert kontrollenhet HARDKODING KONTRA MIKROPROGRAMMERING KONTROLLENHETEN PÅ MODERNE CPUER OPTIMALISERING AV UTFØRINGEN Økt klokkefrekvens Forbedret oppbygging og arkitektur.... 7

2 1.1. Nå skal vi se nærmere på kontrollenheten. Vi skal blant annet se at det er to hovedmåter å bygge opp kontrollenheten på, nemlig ved hardlogikk og med mikroprogrammering s oppgaver Vi kan angi kontrollenhetens oppgaver i to punkter: 1. Sekvensiering. skal sørge for at CPU stepper gjennom en serie av mikrooperasjoner i rett rekkefølge. 2. Eksekvering. bruker kontrollsignaler til å sørge for at mikrooperasjonene blir utført. Kontrollsignalene er binære signaler som for eksempel åpner og lukker for dataoverføring mellom CPUens deler, eller velger hvilken ALUoperasjon som skal foregå s funksjon Hva er det som bestemmer hvilke kontrollsignal som til enhver tid skal settes? Vi kan se på kontrollenheten som en svart boks med innganger og utganger. Alle disse inn- og utgangene er binære signaler; de er enten av eller på (enten høy eller lav spenningsverdi). Inngangene til denne svarte boksen er alle signaler som er med å bestemme hvilken handling prosessoren skal utføre. Utgangene er kontrollsignalene som sendes til de ulike deler av CPU. Det er verdiene til inngangene som bestemmer hvilke utganger som til enhver tid skal være satt. Når et eller flere av inngangssignalene endrer verdi, vil nye kombinasjoner av utgangssignaler settes. En slik boks er vist i Figur 1. Inn-signal Ut-signal IR-register Interne kontroll-signal Klokke Kontrollenhet Eksterne inn-signal (fra kontrollbussen) Eksterne kontroll-signal (til kontrollbussen) Kontrollbuss Figur 1. Figuren viser signalene til og fra kontrollenheten. Interne og eksterne kontrollsignal ut fra kontrollenheten bestemmes av hvilke innsignal som er satt. De brede pilene betyr at signalet består av flere ledninger (bits), for eksempel overføres det hele ord fra IR-registeret til kontrollenheten. Forfatter og Stiftelsen TISIP side 2 av 7

3 Følgende signaler vil være innganger: IR-registeret som inneholder instruksjonen som skal utføres. Den er delt opp i op-kode og operand(er). Klokkesignal varsler når det skal settes nye kontrollsignaler. Kontrollsignalene på systembussen, blant annet avbruddssignalet Følgende signal vil være utganger: Interne kontrollsignal som sendes til CPUens deler Eksterne kontrollsignal som sendes ut fra CPU via systembussens kontrollinjer til andre deler av datamaskinen. Et eksempel (se leksjonen om avbrudd) er linjen INT ACK (Avbruddsbekreftelse), som er et varsel til avbruddskildene om at et avbrudd er mottatt og registrert s oppbygging Så langt har vi sett på kontrollenheten som en boks med inn- og utganger slik Figur 1 viser. Nå skal vi åpne boksen og se hvordan den er bygget opp. Det finnes to måter å implementere en kontrollenhet på, og i dette kapittelet skal vi se på begge: 1. Hardlogikk kontrollenheten sees på som en kombinatorisk krets som bygges opp av mange logiske kretser. 2. Mikroprogrammert kontrollenhet - kontrollenheten bygges opp som en programmerbar enhet som kjører et lavnivå program Hardlogikk Hardlogikk er ren elektronikk. Det vil si at kontrollenheten bygges opp av såkalte kombinatoriske kretser hvor utgangene alltid er entydig gitt av inngangene. En kombinatorisk krets er en elektronisk krets med et antall innganger og et antall utganger. Både inngangene og utgangene er binære signaler, som altså enten er høy eller lav (det vil si henholdsvis 1 eller 0 hvis vi tenker matematisk). En binær kombinasjon av bits på inngangene vil alltid gi en og samme kombinasjon på utgangene. En hardlogikk kontrollenhet er bygget opp slik at for alle mulige kombinasjoner på inngangene (det vil si alle mulig ulike hendelser CPU kan bli bedt om å utføre) vil den alltid gi en bestemt kombinasjon av kontrollsignaler på utgangene. Ved design av hardlogikk tar man for seg kontrollsignalene ett for ett. For hvert av kontrollsignalene finner man et boolsk utrykk for den kombinasjon av alle innganger som skal sette akkurat det kontrollsignalet. Deretter designes kontrollenheten med hjelp av kombinatoriske grunnkretser 1. Denne fremgangsmåten må gjentas for hvert eneste kontrollsignal i prosessoren. 1 Kombinatoriske grunnkretser er logiske porter. Slike logiske porter har to innganger og en utgang. På hver inngang ligger ett binært signal (altså en enkel bit-verdi enten 0 eller 1). Forfatter og Stiftelsen TISIP side 3 av 7

4 Dette blir svært komplisert for CPUer med store avanserte instruksjoner. Slike instruksjoner gir komplekse boolske utrykk som er vanskelig å implementere som kombinatoriske kretser. Senere skal vi se at hardlogikk brukes mye, blant annet på såkalte RISC-prosessorer. Disse har gjerne relativt små og regulære instruksjonssett som kan implementeres i hardlogikk. På denne måten kan prosessorene utnytte den store fordelen med hardlogikk, nemlig den høye hastigheten. For prosessorer med mer komplekse instruksjoner brukes ofte den andre typen kontrollenhet: mikroprogrammert kontrollenhet Mikroprogrammert kontrollenhet For å forstå virkemåten til en mikroprogrammert kontrollenhet er det viktig å huske at for å utføre en bestemt mikrooperasjon må kontrollenheten sette de rette kontrollsignalene, og bryte alle andre kontrollsignal. Når en ny klokkepuls kommer, skal altså en ny kombinasjon av kontrollsignaler settes. Hver gang det kommer en ny klokkepuls trenger vi derfor en enkel måte å fortelle kontrollenheten hvilke kontrollsignaler som skal settes og hvilke som skal brytes. Vi lager oss et bitmønster med like mange bits som vi har kontrollsignaler. Hvert kontrollsignal tilhører en bestemt bit i dette bitmønsteret. En bit med verdi 1 betyr at det korresponderende kontrollsignalet skal settes, og en bit med verdi null betyr at kontrollsignalet skal brytes. Vi kaller dette bitmønsteret en mikroinstruksjon. Når en mikroinstruksjon presenteres for kontrollenheten blir kontrollenhetens oppgave å sette de kontrollsignalene som er 1 og bryte kontrollsignalene som er 0. Fremgangsmåten blir altså som følger: 1. For hver instruksjon som CPU skal kunne utføre lager vi oss en sekvens av slike mikroinstruksjoner. 2. Vi samler mikroinstruksjonene i et lite internt minne inne i CPUen. Enkelte bøker kaller dette minnet for kontrollminnet, mens andre bruker navnet mikrominne. 3. Når CPU skal utføre en instruksjon går den inn på rett plass i kontrollminnet, og begynner å utføre sekvensen av mikroinstruksjoner som starter der. En CPU-instruksjon, for eksempel ADD-instruksjonen på den hypotetiske CPUen, utføres derfor ved at mikroinstruksjonene til instruksjonen presenteres en-for-en for kontrollenheten. For hver klokkepuls får kontrollenheten en ny mikroinstruksjon presentert. Den setter alle kontrollsignaler som har verdien 1 og bryter alle kontrollsignaler med verdien 0. Dette er vist i Figur 2 og Figur 3. Porten sammenligner inngangsverdiene og setter utgangsverdien til enten 0 eller 1. De viktigste portene er AND-, OR, og NOT-porten. AND-porter setter utgangen til 1 hvis begge inngangene er 1, i alle andre tilfeller er utgangen 0. OR-porter setter utgangen til 1 dersom minst en inngang er 1, ellers er utgangen 0. NOT-porten har bare en inngang og en utgang. Den vender verdien på inngangen: hvis inngangen er 0 blir utgangen 1, og hvis inngangen er 0 blir utgangen 1. Ta en titt på leksjonen om digital elektronikk. Forfatter og Stiftelsen TISIP side 4 av 7

5 1. Ny klokkepuls 3. Sett kontrollsignaler 2. Hent neste mikroinstruksjon Figur 2. Mikroinstruksjonssyklus. For hver klokkesyklus hentes en ny mikroinstruksjon, og kontrollenheten setter opp de riktige kontrollsignaler i henhold til mikroinstruksjonen. Kontrollenhet Kontrollminne Eksekveringsenhet Klokke Interne kontrollsignaler Eksterne kontrollsignaler Figur 3. Mikroprogrammert kontrollenhet. Mikroinstruksjonene samles i et såkalt kontrollminne eller mikrominne inne i CPU. Her ligger mikroinstruksjonene i den rekkefølge de skal utføres. Når en klokkepuls kommer presenteres neste mikroinstruksjon for kontrollenheten. setter de kontrollsignalene som har verdien 1 og bryter de øvrige Hardkoding kontra mikroprogrammering I denne leksjonen har vi sett på oppgavene til kontrollenheten, og vi har sett på hvordan kontrollenheten kan bygges opp. De to hovedtypene av kontrollenheter er hardkodete Forfatter og Stiftelsen TISIP side 5 av 7

6 kontrollenheter og mikroprogrammerte kontrollenheter. Men, hva er fordelen og hva er ulempen med hver av dem? Vel, vi har sett at de hardkodete kontrollenhetene er svært kompliserte, fordi det må implementeres kombinatoriske kretser for svært komplekse boolske utrykk. Til gjengjeld er disse kontrollenhetene meget hurtige - forsinkelsen i dem ligger tross alt bare i at elektroniske signal skal flyte gjennom noen porter, og porter har forsinkelser i pikosekundområdet. De aller første CPUer (på 40- og 50-tallet) var hardkodete, og denne teknikken har fått en renessanse på 80- og 90-tallet siden teknologien for å lage integrerte kretser har vært gjennom en rivende utvikling. Dette har muliggjort stadig mer kompliserte integrerte kretser. Fordelen med mikroprogrammerte kontrollenheter er at det er relativt enkelt å implementere kompliserte instruksjoner. Til gjengjeld er de mye tregere enn hardkodete kontrollenheter. Virkemåten baserer seg jo på at kontrollenhetene ligger i et minne, og selv de hurtigste minneteknologiene har aksesstider i nanosekundområdet på moderne CPUer Så langt i leksjonen har vi satt et skarpt skille mellom CPUer som har hardkodet kontrollenhet og CPUer som har mikroprogrammert kontrollenhet. Tradisjonelt har dette skillet vært korrekt; en CPU har enten vært hardkodet eller mikroprogrammert. Som nevnt var de første CPUene (på 40- og 50-tallet) hardkodet, men etterhvert tok de mikroprogrammerte CPUene over. Utviklingen frem til et stykke ut i 80-tallet var stadig mer kompliserte mikroprogrammerte CPUer. I en senere leksjon skal vi se at slike CPUer kalles CISC (Complex Instruction Set Computer). På 80-tallet kom det som enkelte tidsskrift kaller en revolusjon, men som egentlig ikke var annet enn evolusjon, nemlig en ny type prosessor som ble kalt RISC (Reduced Instruction Set Computer). Dette var CPUer med hardkodet kontrollenhet. Følgelig ble hver instruksjon utført svært hurtig, men til gjengjeld var det bare mulig å implementere ganske enkle instruksjoner. De mest komplekse instruksjonene i en CISC kunne ikke implementeres på denne måten, og instruksjonssettet ble redusert. Det betyr at prosessoren bare kunne utføre relativt enkle instruksjoner, men at disse til gjengjeld ble utført svært hurtig. En kort stund ble dataverden oppdelt i to leirer som sverget til hver sin type prosessor. Men, etterhvert fikk vi isteden et spekter av prosessorer. I hver sin ende av spekteret var de rene CISCer og de rene RISCer. I mellom ytterpunktene lå prosessorer som tok i bruk begge teknikker. Intels Pentium-prosessor var et typisk eksempel på dette. Selv om dette i utgangspunktet var et urtypisk eksempel på CISC, tok Intel etterhvert i bruk elementer av RISC der det var mulig. I mange utgaver av tidligere Pentium-prosessorer kunne de enkle instruksjonene utføres i en prosesserende enhet som var hardkodet - og derfor hurtig. De mest kompliserte instruksjonene kunne bare utføres i en mikroprogrammert prosesserende enhet. Slike prosessorer forsøkte altså å bruke det beste fra begge typer. På de nyeste Pentium-prosessorene oversetter prosessoren selv instruksjonene til en sekvens av enklere operasjoner som Intel kaller micro-ops. Slike micro-ops er så enkle at de kan implementeres i hardlogikk. Dermed kan de nyeste Pentrium-prosessorene nærmest sees på som en front-end der vi dytter inn tradisjonelle CISC-instruksjoner som blir oversatt til enklere operasjoner og utført på en RISC-basert utføringsenhet. I en senere leksjon skal vi se nærmere på begrepene CISC og RISC. Forfatter og Stiftelsen TISIP side 6 av 7

7 1.5. Optimalisering av utføringen Hvordan kan utføringshastigheten til CPUen forbedres? Vi har i hvert fall to innfallsvinkler: Hurtigere kretser slik at vi kan bruke høyere klokkehastighet. Forbedret oppbygging og arkitektur slik at CPU kan utføre mer arbeid i løpet av hver klokkesyklus. La oss se kort på begge metoder Økt klokkefrekvens Klokkefrekvensen er en viktig størrelse for alle prosessorer. Den har blitt brukt intensivt i markedsføringen av prosessorer og dette har kanskje ført til at det oppfattes som en viktigere størrelse enn det egentlig er men gir uansett et bilde av ytelsen til prosessoren Klokkefrekvensen på nyere prosessorer ligger gjerne på 2-4 GHz. Klokkefrekvensen er først og fremst begrenset av varmgang i CPU. Dersom vi bruker for høy klokkefrekvens vil prosessoren rett og slett brenne i stykker. Teknologien for fremstilling av integrerte kretser forbedres hurtig. En av områdene der forbedringen skjer er ved at hver komponent stadig tar mindre plass. Siden små komponenter har mindre varmgang enn store komponenter, er dette hovedårsaken til at nyere prosessorer har høyere klokkefrekvens enn gamle prosessorer. På de nyeste prosessorene brukes såkalt 45 nm-teknologi og 32 nm Forbedret oppbygging og arkitektur. Teknologien for fremstilling av integrerte kretser forbedres ikke bare på den måten at hver komponent stadig blir mindre den forbedres også ved at det er mulig å integrere stadig flere komponenter i en integrert krets. Med flere kretser kan utføre mer arbeid i løpet av en klokkesyklus. Nye prosessorer bruker derfor færre klokkesykluser for å utføre en oppgave enn eldre prosessorer. En addisjon trengte for eksempel minst 6 klokkesykluser på en 386. På 486 kunne man gjøre to slike addisjoner i løpet av to klokkesykluser, mens en Pentium kunne utføre to addisjoner på en klokkesyklus. En Pentium II kan utføre tre addisjoner på en klokkesyklus. Som vi ser: en og samme oppgave utføres på færre klokkesykluser på nyere prosessorer. Med flere kretser kan man altså implementere stadig mer avanserte mekanismer. De viktigste mekanismene som har blitt utviklet for å øke ytelsen til CPU er: Pipeline Superskalar arkitektur Dynamisk utføring I neste leksjon skal vi se på disse tre mekanismene. Forfatter og Stiftelsen TISIP side 7 av 7