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El procesador
Datapath y control
Introducción
 En esta parte del curso contiene:
 Las principales técnicas usadas en el diseño de un
procesador.
 La construcción del datapath y del control.
 Estudiaremos la implementación de una versión
reducida de MIPS.
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Definiciones
 El procesador o CPU (unidad central de
procesamiento) sigue las instrucciones del programa
al pie de la letra. Suma y compara números, ordena
activarse a los dispositivos de I/O, etc.
 El procesador consta de dos componentes:
 El datapath. Ejecuta operaciones aritméticas y lógicas.
 El control. Ordena al datapath, memoria y dispositivos
de I/O lo que hay que hacer de acuerdo al programa.
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Recordando

Hay dos clases de circuitos digitales:
1. Circuitos combinatorios. La salida depende solo de
las entradas. Ejemplo, AND, OR, NOT, decoders,
multiplexores, etc.
2. Circuitos secuenciales. La salida depende de las
entradas y de la salida actual. Ejemplo, latches y flipflops.
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Circuitos secuenciales
 Pueden almacenar 1 bit.
 Usaremos solo flip-flops (biestables) maestro-
esclavo. La salida se actualiza durante el flanco
(edge) de reloj.
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Flip-flop D
 Diagrama de un flip-flop D maestro-esclavo
disparado por el flanco de bajada:
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Flip-flop D
 Operación:
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Banco de registros
 El banco de registros (register file) es un conjunto de
registros para guardar y leer datos.
 Cada registro es un vector de flip-flops D.
 Para leer un registro:
 Entrada: número de registro.
 Salida: dato contenido en el registro.
 Para escribir un registro:
 Entrada: número de registro, dato y una señal de reloj
para controlar la escritura.
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Banco de registros
 Dos puertos de lectura y uno de escritura.
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MIPS simplificado

Las instrucciones se hacen en un ciclo de reloj.
 Comienzan a ejecutarse en un flanco de reloj y
terminan en el siguiente flanco.
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MIPS simplificado
 Tres tipos de instrucciones:
1. Instrucciones de referencia a memoria: load word
(lw) y store word (sw).
2. Instrucciones aritmético-lógicas: suma (add), resta
(sub), and, or y set on less than (slt).
3. Instrucciones de brincos: brinca si igual (beq) y
brinco incondicional (j).
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Implementación

La implementación de las distintas instrucciones
tiene varias acciones en común.
 Los primeros dos pasos son iguales:
1. Enviar el PC (contador de programa) a la memoria y
sacar la siguiente instrucción (ciclo de fetch).
2. Leer uno o dos registros.

Lo siguiente depende de la clase de instrucción,
pero es parecido sin importar el opcode exacto.
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Implementación
 Todas las instrucciones, excepto el brinco
incondicional (instrucción j), usan la ALU (unidad
aritmético-lógica).
 Las instrucciones de referencia a memoria para
calcular direcciones.
 Las instrucciones aritmético-lógicas para su
operación.
 Los brincos para evaluar la condición.
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Implementación
 Después de usar la ALU:
 Las instrucciones de referencia a memoria accesan la
memoria para cargar o guardar un dato.
 Las instrucciones aritmético-lógicas guardan el dato
de la ALU en un registro.
 Los brincos, dependiendo de la condición, cambian el
contador de programa (PC) o lo incrementan en 4.
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Implementación
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Explicación
 Las señales de control están en azul y el flujo de
datos en negro.
 Las señales de control determinan:
 La operación ejecutada por la ALU.
 Si la memoria de datos debe leer o escribir.
 Si los registros deben realizar una operación de
escritura.
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Explicación
 El multiplexor de arriba controla que valor se le
guarda al PC (PC + 4 o la dirección del brinco).
 Este multiplexor está controlado por una AND entre
la salida “zero” de la ALU (es 1 si el resultado de la
ALU es 0) y la señal de control “branch” (es 1 si la
instrucción es un brinco).
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Explicación
 El multiplexor de en medio dirige la salida de la ALU
(en caso de una instrucción aritmético-lógica) o de la
salida de la memoria de datos (en caso de una
carga) hacia el banco de registros (register file).
 Este multiplexor está controlado por la señal de
control “ALUOp” que es 1 en caso de una operación
aritmético-lógica y 0 en otro caso.
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Explicación

El multiplexor de abajo se usa para determinar el
origen de la segunda entrada de la ALU:
a) Los registros, en caso de una instrucción aritmético-
lógica no inmediata.
b) El campo offset de la instrucción, en caso de una
operación inmediata, una carga o guardar, o un
brinco.

Este multiplexor está controlado por la señal de
control “ALUSrc” que es 1 si el origen es el campo
offset y 0 si el origen es el banco de registros.
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Datapath
 Realiza operaciones aritméticas y lógicas.
 Elementos del datapath:
 ALU.
 Memoria de instrucciones.
 Memoria de datos.
 Banco de registros.
 Sumadores.
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Primeros elementos del datapath
1. Una memoria para guardar y leer instrucciones.
2. Un registro, llamado PC (contador de programa),
para guardar la dirección de la instrucción actual.
3. Un sumador para incrementar el PC.
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Ejecutando instrucciones

La ejecución de una instrucción comienza con dos
pasos:
1. Obtener la instrucción de la memoria.
2. Incrementar el PC para preparar la ejecución de la
instrucción siguiente.

Los tres elementos anteriores se combinan para
formar un datapath que obtiene una instrucción e
incrementa el PC.
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Primera parte del datapath
 Ciclo de fetch. Lee una instrucción e incrementa el
PC.
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Segunda parte del datapath

El siguiente paso es ver como se implementan:
1. Instrucciones aritméticas y lógicas.
2. Instrucciones de carga y guardar (load/store).
3. Brincos.
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