Fasi di Esecuzione e Componenti del Processore

Concetti Fondamentali

• Per eseguire un'istruzione, il processore svolge tre passi in successione: prelievo, incremento e esecuzione.
• Il passo di prelievo consiste nel recuperare l'istruzione dalla memoria, indicata dal registro PC, e inserirla nel registro IR.
• L'incremento comporta l'aumento del contenuto del PC di 4, dato che la memoria è indirizzabile a 4 byte, quindi [PC] + 4.
• I primi due passi costituiscono la fase di prelievo, mentre il terzo è la fase di esecuzione.
• Durante l'esecuzione avivene: lettura del contenuto della memoria e caricamento in un registro, lettura di dati da un registro del processore, esecuzione di un'istruzione aritmetica o logica e scrittura del risultato in un registro e scrittura dei dati di un registro in una posizione di memoria.

Componenti Hardware di un Processore

• Gli elementi principali sono: interfaccia processore-memoria, generatore di indirizzi, banco di registri e Unità ALU.
• L'interfaccia processore-memoria permette il trasferimento dei dati durante le operazioni di lettura/scrittura.
• Il generatore di indirizzi si occupa di aggiornare il PC.
• Il banco di registri organizza i registri in memoria.
• L'unità ALU esegue operazioni logiche e aritmetiche.

Hardware per l'Elaborazione di Dati

• Per un'istruzione di calcolo: lettura degli operandi dai registri -> esecuzione dell'operazione -> scrittura dei risultati in un registro.
• Un registro è un gruppo di flip-flop che lavorano insieme.
• Più flip-flop insieme formano un registro in grado di memorizzare byte.
• Un flip flop può essere solo su 0 o solo su 1.
• Mantiene il valore finché non riceve un segnale specifico di cambiamento.
• Lavora con il clock e può cambiare stato solo quando il clock lo permette.
• Clock: segnale che sincronizza le operazioni del processore con fronti di salita.
• Il periodo di clock è il tempo tra due successivi fronti di salita e deve essere sufficientemente lungo per permettere al circuito combinatorio di produrre il risultato.

Struttura Hardware a Più Stadi

• L'elaborazione di un'istruzione è divisa in passi più semplici, denominati stadi, che si susseguono in cascata.
• Se ci sono n stadi, l'istruzione è completata in n cicli di clock.
• Gli stadi semplificano i circuiti, riducendo il periodo di clock e aumentando la velocità di esecuzione.
• Questo approccio è alla base del pipelining, migliorando le prestazioni del processore ed elabora più istruzioni contemporaneamente.

Esecuzione di Istruzioni

• Nei processori RISC, le istruzioni si dividono in tre categorie: caricamento (Load), aritmetiche e logiche, e immagazzinamento (Store).
• Il caricamento trasferisce dati dalla memoria ai registri.
• Le operazioni aritmetiche e logiche eseguono calcoli tra registri.
• L'immagazzinamento trasferisce dati dai registri alla memoria.
• Tutte queste istruzioni seguono un processo a cinque passi, dove ogni passo corrisponde a un'operazione svolta in un diverso stadio hardware.

Hardware: Banco di Registri

• I registri di uso generale sono memorie molto veloci all'interno del processore, organizzati in un banco di registri.
• Registri a blocco di memoria singola sono usati per operazioni aritmetiche e logiche (vanno da RO - R15).
• I registri a doppio blocco di memoria permettono un accesso più rapido alla memoria per operazioni di caricamento e memorizzazione.
• Gli ingressi Indirizzo A e Indirizzo B selezionano due registri da leggere, mentre l'ingresso Indirizzo C seleziona un registro per scrivere il dato.
• Un banco di registri unico semplifica i circuiti, mentre un banco con doppia porta permette operazioni più rapide su memoria e registri, facilitando l'esecuzione delle istruzioni in modo efficiente.

Sezione di Prelievo delle Istruzioni

• Quando il processore deve eseguire un'istruzione, la preleva dalla memoria.
• Il Program Counter (PC) punta alla locazione contenente l'istruzione da eseguire.
• Se l'istruzione necessita di un operando, questo può essere prelevato da un'altra locazione indicata da un registro, come RZ.
• Il componente MuxMA seleziona la sorgente corretta e invia i dati alla memoria.
• L'IR (Instruction Register) riceve l'istruzione prelevata e la invia ai circuiti di controllo, che generano i segnali per eseguire l'operazione.
• Se l'istruzione contiene un valore immediato viene convertito da 16 a 32 bit e inviato alla ALU per calcolare l'indirizzo.

Generazione degli Indirizzi delle Istruzioni

• Dopo aver eseguito un'istruzione, il processore deve sapere quale istruzione eseguire dopo.
• Se il programma è sequenziale, il PC viene incrementato di 4 (poiché ogni istruzione occupa 4 byte).
• Il Sommatore calcola il nuovo valore di PC = PC + 4 e lo salva nel PC-Temp, che mantiene temporaneamente l'indirizzo della prossima istruzione.
• Se c'è un salto, il Sommatore calcola un nuovo indirizzo basato su un valore immediato contenuto in IR.
• Se un'istruzione contiene un'operazione di salto, il processore sostituisce il valore di PC con il nuovo indirizzo di destinazione, anziché incrementarlo di 4.

Passi di Esecuzione delle Istruzioni

• Ogni istruzione viene eseguita in più passi.
• ADD R3, R4, R5 (Somma tra due registri) prevede: caricamento dell'istruzione in IR, lettura dei registri sorgente (R4 e R5), la ALU calcola la somma [R4] + [R5] e il salvataggio del risultato in RZ, trasferimento del valore di RZ a RY e scrittura il valore nel registro di destinazione R3.
• LOAD R5, X(R7) (Caricamento da memoria) prevede: caricamento dell'istruzione in IR, lettura del registro R7, calcolo dell'indirizzo effettivo sommando X + [R7], lettura del valore all'indirizzo calcolato dalla memoria e salvataggio del valore nel registro R5.

Istruzioni di Salto e Subroutine

• Nel normale flusso di esecuzione, il processore preleva le istruzioni in ordine.
• Quando incontra un'istruzione di salto, il PC deve essere modificato.
• Un salto incondizionato cambia direttamente il valore del PC.
• Un salto condizionato dipende da una condizione.
• Se si esegue Branch_if_[R5] = [R6], il processore confronta i due registri ed esegue il salto solo se sono uguali.

Chiamata a Sottoprogramma (Call Register R9)

• Quando si chiama una funzione, l'indirizzo di ritorno viene salvato in PC-Temp, il valore di R9 viene caricato in PC e quando la funzione termina, il processore torna all'indirizzo salvato in PC-Temp.

Lettura dei Registri

• Il processore legge i registri nel passo 2 dell'esecuzione di un'istruzione.
• Gli indirizzi dei registri sono sempre negli stessi bit dell'IR, quindi l'hardware può leggerli subito.
• Se un'istruzione non ha bisogno di uno dei registri letti, semplicemente lo ignora.

Multiplexer

• Circuito con tanti ingressi, un'uscita e alcuni ingressi di controllo.
• Il suo compito è selezionare uno degli ingressi in base al valore degli ingressi di controllo e inviarlo all'uscita.
• Il multiplexer ha il compito di selezionare un ingresso in base al valore degli ingressi di controllo.
• Componente che sceglie tra più ingressi e ne invia uno solo all'uscita.
• Usato per selezionare i dati da elaborare o per scegliere da quale fonte prelevare i valori (es. PC, RZ, ALU).

Segnali di Controllo

• Durante l'esecuzione delle istruzioni, i dati devono essere spostati nei registri.
• I segnali di controllo abilitano i registri, selezionano gli ingressi nei multiplexer (MuxB, MuxY, MuxC), comandano la ALU e gestiscono la memoria.
• Esempio di controllo del MuxMA: nel passo 1, seleziona il PC per prelevare l'istruzione, nel passo 4, seleziona RZ per un'operazione Load/Store.

Riepilogo

• Il PC tiene traccia dell'istruzione successiva, il registro IR contiene l'istruzione corrente, la ALU esegue calcoli le operazione, le interruzioni e salti modificano il flusso del programma, la cache accelera l'accesso ai dati e i segnali di controllo orchestrano l'intero processo.

Segnali di Controllo e Comunicazione tra Processore e Memoria

• Ogni istruzione eseguita è controllata da segnali elettrici, chiamati segnali di controllo.
• Il banco di registri ha tre ingressi a 5 bit per accedere a 32 registri diversi.
• I segnali Mem_lettura e Mem_scrittura controllano le operazioni di Load e Store.
• MFC avvisa il processore quando la memoria ha terminato un'operazione.
• Se il processore deve leggere un dato dalla memoria: attiva Mem_lettura -> aspetta MFC -> il dato è disponibile.

Tipi di Controllo del Processore: Controllo Cablato vs Microprogrammato

• Esistono due metodi principali per gestire il flusso di istruzioni nel processore: controllo cablato e controllo microprogrammato.
• Il controllo cablato è più veloce ed è utilizzato nei processori RISC.
• Il controllo microprogrammato è più flessibile ma più lento ed è utilizzato nei processori CISC.
• Il controllo cablato usa una rete combinatoria di porte logiche per generare i segnali di controllo, è più veloce ma meno flessibile.
• Il controllo microprogrammato usa una memoria di controllo e ogni ciclo di clock genera automaticamente i segnali necessari.
• Il controllo cablato è efficiente per processori semplici (RISC), mentre il controllo microprogrammato è per processori complessi (CISC).

Processori CISC e Organizzazione dell'Hardware

• I processori CISC hanno un'architettura più complessa rispetto ai RISC ed hanno istruzioni a lunghezza variabile.
• Possono usare operandi in memoria e supportare molti modi di indirizzamento.
• La struttura di un processore CISC comprende un blocco di interconnessione, registri temporanei e bus di sistema.
• Vantaggi: istruzioni potenti e compatte, minore necessità di ottimizzare il codice.
• Svantaggi: maggiore complessità hardware ed esecuzione è più lenta.

Controllo dell'Accesso al Bus

• Nei processori CISC, i dati viaggiano su un bus di sistema per essere scambiati tra i componenti.
• Il bus driver controlla l'accesso al bus. Le porte a tre stati impediscono ai dispositivi di inviare dati per evitare conflitti.
• Il processore attiva Rin = 1, il registro può inviare un valore sul bus se Rout = 1 e il bus trasferisce i dati al componente corretto.

Interconnessione a Tre Bus nei Processori CISC

• Nei processori RISC, il percorso dei dati è fisso
• Nei CISC, si usa un'interconnessione a tre bus per consentire un trasferimento più flessibile.
• Ad esempio, nell'esecuzione dell'istruzione Add R5, R6 in un CISC: prelievo dell'istruzione -> decodifica -> esecuzione.
• Nei CISC, ogni istruzione può richiedere più fasi per essere completata rispetto a un RISC.

Esecuzione di Istruzioni con Operandi in Memoria

• Nei processori CISC, alcune istruzioni operano direttamente sui dati in memoria, senza caricarli prima nei registri.
• Ad esempio, AND X(R7), R9 richiede che l'istruzione sia formata da due parole, accede alla memoria quattro volte e il risultato viene scritto in memoria.

Controllo Microprogrammato

• Nei processori CISC, il controllo viene spesso gestito con microprogrammi.
• Microistruzioni: controllano ogni fase dell'esecuzione.
• Microroutine: eseguono le istruzioni macchina complesse.
• Microprogramma: insieme delle microroutine, funge da interprete delle istruzioni macchina.
• Nei RISC, questo non è necessario perché ogni istruzione è semplice e viene eseguita direttamente dall'hardware.

Confronto Finale: Controllo Cablato vs Microprogrammato

• Nei RISC sono più veloci e usano il controllo cablato.
• Nei CISC sono più flessibili ma più lenti, e usano il controllo microprogrammato.

Esplorazione delle tre fasi di esecuzione di un'istruzione da parte del processore: prelievo, incremento ed esecuzione. Analisi dei componenti hardware chiave, tra cui l'interfaccia processore-memoria, il generatore di indirizzi, il banco di registri e l'unità ALU, evidenziandone le funzioni.