Tietokoneen mysteeri sekventiaalilogiikka

Transkriptio

1 Tietokoneen mysteeri sekventiaalilogiikka Petteri Kaski Tietotekniikan laitos Aalto-yliopisto CS-A112 Ohjelmointi 2 1. maaliskuuta

2 Tietokoneen mysteeri (4 kierrosta) 2. Bitit ja data binäärilukujärjestelmä, bittien käsittely Scalalla 3. Kombinaatiologiikka 4. Sekventiaalilogiikka 5. Ohjelmoitava kone logiikkaporteista rakennettuja piirejä Scala-simuloituna kello ja takaisinkytkentä Scala-simulaatioon, prosessorin laskentapolku konekieliohjelmoimme 5574-porttista Scalalla rak. & simuloitua armlet -prosessoria

3 3. Sekventiaalilogiikka

4 Millä periaatteilla tietokone toimii? Mitä on laskenta? Miten rakennetaan ohjelmoitava kone?

5 Kierroksen 3 jälkeen osaamme rakentaa (Scalalla) koneita, jotka käsittelevät bittejä

6 Kombinaatiologiikan työkalusto? NOT EI 1 (johtoa) AND JA (syöteelementtejä) OR TAI (logiikkaportteja)

7 Mutta onko kombinaatiologiikka riittävän väkevä työkalusto rakentamaan ohjelmoitava kone?

8 Kombinaatiologiikalla voidaan rakentaa konfiguroitavia piirejä Osa syötteistä ohjaa ( konfiguroi ) mitä piiri laskee ulostuloihin

9 Ohjelmoitavuus tuntuu silti voimakkaammalle ominaisuudelle kuin konfiguroitavuus Jokin keskeinen periaate puuttuu?

10 Pohjalta pohdiskellen Mikä olisi mahdollisimman yksinkertainen kone, jota emme osaa rakentaa kombinaatiologiikalla?

11 Kone, 1 joka kasvattaa laskuria yhdellä 1 aina kun painamme 1 1 nappia?

12 Yhdellä kasvattaja kombinaatiologiikalla +1 [demo] import minilog._ // NOTE UPGRADE TO minilog! def buildhalfadder(ai: Gate, c: Gate) = (ai && c, (!ai && c) (ai &&!c)) def buildincrementer(aa: Bus) = { var c = aa.host.true // initial carry is true val r = new Array[Gate](aa.length) for(i <- until aa.length) { val (c_out,s) = buildhalfadder(aa(i), c) r(i) = s c = c_out } new Bus(r) } val n = 4 val c = new Circuit() // a host object for our gates (new in minilog) val ins = c.inputs(n) // have the host create a new bus of n input elements val outs = buildincrementer(ins) // build an incrementer

13 Kone, joka kasvattaa 1 laskuria yhdellä aina kun 1 painamme nappia? 1 1 Missä se nappi on? (ja millä periaatteella nappi toteutetaan?)

14 ???? ???? 1 1 Takaisinkytkentä ulostuloista sisääntuloihin aina kun nappia painetaan

15 system starts at time t = t = +1 the incrementer adds one to its inputs to obtain the output???? 1 +1 clock triggers and feedbacks occur???? 1 t = 1 +1 the incrementer adds one to its inputs to obtain the output 1 1 clock triggers and feedbacks occur Kellopulssin ( napin ) liipaisemat kiinteät takaisinkytkennät t = the incrementer adds one to its inputs to obtain the output clock triggers and feedbacks occur mahdollistavat saman kombinaatiopiirin käytön aina uudestaan ja uudestaan......

16 system starts at time t = t = +1 the incrementer adds one to its inputs to obtain the output???? 1 +1 clock triggers and feedbacks occur???? 1 t = 1 +1 the incrementer adds one to its inputs to obtain the output 1 1 clock triggers and feedbacks occur Aika t =, 1, 2,... mitataan kellopulssien lukumääränä piirin t = 2 +1 the incrementer adds one to its inputs to obtain the output käynnistämisestä 1 1 clock triggers and feedbacks occur Piiri käynnistettäessä siis t =...

17 Sekventiaalilogiikan työkalusto NOT EI? (johtoa) 1 AND JA OR TAI (kelloliipaistuja (logiikkaportteja) (syöteelementtejä) takaisinkytkentöjä)

18 Onko meillä nyt ohjelmoitava kone?

19 Kyllä (vähän on vielä rakentamista, mutta koneen periaatteet on nyt esitelty sekventiaalilogiikka riittää)

20 Kierros 4: Sekventiaalilogiikka Kello ja takaisinkytkentä Scala-simuloituna (minilog -pakkaus ja Trigger-työkalu) Sekventiaalipiirit ja niiden suunnittelu Prosessorin laskentapolku ( data path ) muistilla Laskentakäskyt (5. kierros: Ohjelmoitava prosessoriarkkitehtuuri & konekieliohjelmointi)

21 minilog-pakkaus ja Trigger-työkalu

22 Kombinaatiopiirejä rakennetaan lähes kuten tinylog -pakkauksellakin: import minilog._ // NOTE UPGRADE TO minilog! def buildhalfadder(ai: Gate, c: Gate) = (ai && c, (!ai && c) (ai &&!c)) def buildincrementer(aa: Bus) = { var c = aa.host.true // initial carry is true val r = new Array[Gate](aa.length) for(i <- until aa.length) { val (c_out,s) = buildhalfadder(aa(i), c) r(i) = s c = c_out } new Bus(r) } val n = 4 val c = new Circuit() // a host object for our gates (new in minilog) val ins = c.inputs(n) // have the host create a new bus of n input elements val outs = buildincrementer(ins) // build an incrementer

23 Takaisinkytkentöjen rakentaminen Scalalla import minilog._ // NOTE UPGRADE TO minilog! val n = 4 val c = new Circuit() // a host object for our gates (new in minilog) val ins = c.inputs(n) // have the host create a new bus of n input elements val outs = buildincrementer(ins) // build an incrementer ins.buildfeedback(outs) // feed the outputs back to the inputs (new in minilog) buildfeedback-metodi rakentaa syöte-elementtiin (tai syöte-elementtiväylään) takaisinkytkennä(n/t) metodin argumenttina annetusta portista (väylästä) Kellon liipaisu Scalalla c.clock() // trigger the clock in circuit c

24 minilog-pakkauksesta ja sen suunnittelusta lisää lukemistossa (*)

25 Trigger-työkalu [demo] nappi import minilog._ // NOTE UPGRADE TO minilog! def buildhalfadder(ai: Gate, c: Gate) = (ai && c, (!ai && c) (ai &&!c)) def buildincrementer(aa: Bus) = { var c = aa.host.true val r = new Array[Gate](aa.length) for(i <- until aa.length) { val (c_out,s) = buildhalfadder(aa(i), c) r(i) = s c = c_out } new Bus(r) } val n = 4 val c = new Circuit() // a host object for our gates (new in minilog) val ins = c.inputs(n) // have the host create a new bus of n input elements val outs = buildincrementer(ins) // build an incrementer ins.buildfeedback(outs) val t = new Trigger(c) t.watch("ins", ins.reverse) t.watch("outs", outs.reverse) t.go() // trigger requires a host object // we can watch gates or buses in the host object //... reversion shows least signif. bit on the right // opens up the graphical interface

26 Tavoite: Prosessorin laskentapolku ja laskentakäskykanta

27 Pohjalta ponnistaen myös prosessorisuunnitteluun Summankerryttäjä ( summa-akkumulaattori )

28 user in???????? Adder????

29 Summankerryttäjä [demo] import minilog._ // NOTE UPGRADE TO minilog! def buildadder(aa: Bus, bb: Bus) = { new Bus( ((aa zip bb).scanleft((aa.host.false, aa.host.false))) { case ((s,c),(a,b)) => (a+b+c,(a && b) (a && c) (b && c)) }.drop(1).map(_._1)) } val n = 8 val c = new Circuit() val accum_in = c.inputs(n) val user_in = c.inputs(n) val accum_out = buildadder(accum_in, user_in) accum_in.buildfeedback(accum_out) val t = new Trigger(c) t.watch("accum_in", accum_in.reverse) t.watch("user_in", user_in.reverse) t.watch("accum_out", accum_out.reverse) t.go()

30 Akkumulaattori toimii kuten piiriin rakennettu muuttuja (jonka arvo muuttuu kellon käydessä)

31 Prosessoriarkkitehtuurissa tällaisia muuttujia kutsutaan rekistereiksi armlet-arkkitehtuurissamme on kahdeksan 16-bittistä rekisteriä: $, $1, $2, $3, $4, $5, $6 ja $7

32 Aritmetiikka-logiikkayksikkö (ALU) Prosessorin osa, joka varsinaisesti laskee

33 armlet ALU $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7 operation Arithmetic logic unit L A B $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7

34 add $4, $, $3 $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7 + "add" 1 11 $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7

35 Tuetut laskuoperaatiot ( laskentakäskyt ) nop # no operation mov $L, $A # $L = $A (copy the value of $A to $L) and $L, $A, $B # $L = bitwise AND of $A and $B ior $L, $A, $B # $L = bitwise (inclusive) OR of $A and $B eor $L, $A, $B # $L = bitwise exclusive-or of $A and $B not $L, $A # $L = bitwise NOT of $A add $L, $A, $B # $L = $A + $B sub $L, $A, $B # $L = $A - $B neg $L, $A # $L = -$A lsl $L, $A, $B # $L = $A shifted to the left by $B bits lsr $L, $A, $B # $L = $A shifted to the right by $B bits asr $L, $A, $B # $L = $A (arithmetically) shifted to the right by $B bits operaatio mitä operaatio tekee rekistereille $L, $A, $B

36 Vakio-operandit (ei-rekisterioperandit) $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7 immed_in Arithmetic logic unit operation L A B $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7

37 Vakio-operandit (ei-rekisterioperandit) mov $L, I add $L, $A, I sub $L, $A, I and $L, $A, I ior $L, $A, I eor $L, $A, I lsl $L, $A, I lsr $L, $A, I asr $L, $A, I # $L = I (copy the immediate data I to $L) # $L = $A + I # $L = $A - I # $L = bitwise AND of $A and I # $L = bitwise (inclusive) OR of $A and I # $L = bitwise exclusive OR of $A and I # $L = $A shifted to the left by I bits # $L = $A shifted to the right by I bits # $L = $A (arithmetically) shifted to the right by I bits operaatio mitä operaatio tekee rekistereille $L, $A ja vakiolle I

38 ALU Trigger-työkalulla [demo] import armlet._ new ALUTrigger()

39 Laskentapolku ( data path )

40 Laskentapolun osat lcu_e C $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7 read_in Load completion unit immed_in Arithmetic logic unit operation L A B mem_read_e mem_write_e mem_addr mem_data Memory interface unit loa_e sto_e L A lcu_e C $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7

41 Muistirajapintayksikkö $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7 mem_read_e mem_write_e mem_addr mem_data Memory interface unit loa_e sto_e L A lcu_e C $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7 loa $L, $A # $L = [contents of memory word at address $A] sto $L, $A # [contents of memory word at address $L] = $A operaatio mitä operaatio tekee rekistereille $L, $A ja muistille

42 Muisti (prosessorin ulkopuolella) mem_read_e mem_write_e read_out Memory mem_addr mem_data (muistiyksikön rakentaminen harjoituksissa)

43 Laskentapolun osat lcu_e C $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7 read_in Load completion unit immed_in Arithmetic logic unit operation L A B mem_read_e mem_write_e mem_addr mem_data Memory interface unit loa_e sto_e L A lcu_e C $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7

44 Entäpä laskentapolun konfigurointi? Käpistelemällä?

45 armlet-laskentapolun haluttu toiminta määrätään käskyllä ( instruction ), joka on 16-bittinen sana (Eräät armlet-käskyt koostuvat kahdesta 16-bittisestä sanasta, varsinaisesta käskystä ja tätä seuraavasta vakiosta)

46 Käskykanta (laskentapolkua ohjaavat käskyt) nop # no operation mov $L, $A # $L = $A (copy the value of $A to $L) and $L, $A, $B # $L = bitwise AND of $A and $B ior $L, $A, $B # $L = bitwise (inclusive) OR of $A and $B eor $L, $A, $B # $L = bitwise exclusive-or of $A and $B not $L, $A # $L = bitwise NOT of $A add $L, $A, $B # $L = $A + $B sub $L, $A, $B # $L = $A - $B neg $L, $A # $L = -$A lsl $L, $A, $B # $L = $A shifted to the left by $B bits lsr $L, $A, $B # $L = $A shifted to the right by $B bits asr $L, $A, $B # $L = $A (arithmetically) shifted to the right by $B bits mov $L, I add $L, $A, I sub $L, $A, I and $L, $A, I ior $L, $A, I eor $L, $A, I lsl $L, $A, I lsr $L, $A, I asr $L, $A, I # $L = I (copy the immediate data I to $L) # $L = $A + I # $L = $A - I # $L = bitwise AND of $A and I # $L = bitwise (inclusive) OR of $A and I # $L = bitwise exclusive OR of $A and I # $L = $A shifted to the left by I bits # $L = $A shifted to the right by I bits # $L = $A (arithmetically) shifted to the right by I bits loa $L, $A # $L = [contents of memory word at address $A] sto $L, $A # [contents of memory word at address $L] = $A

47 Käskyjen binääriesitys (**) sub $2, $, $ ior $7, $1,

48 Käskynpurkuyksikkö lcu_e C $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7 read_in Load completion unit instr_in mem_read_e mem_write_e mem_addr Arithmetic logic unit Memory interface unit Instruction decoder unit immed_in mem_data lcu_e C $ $1 $2 $3 $4 $5 $6 $7

49 Laskentapolku Trigger-työkalulla [demo] import armlet._ new DataPathTrigger()

50 Mikroarkkitehtuuri ja käskykanta

51 Caveat armlet sisältää vain kaikkein keskeisimmät arkkitehtuuriperiaatteet erityisesti von Neumann rekisterikonearkkitehtuuri Varsinaiset nykyaikaiset prosessoriarkkitehtuurit ovat huomattavasti edistyneempiä kuin armlet-arkkitehtuuri Sivuutettu mm.: Fysikaalinen toteutus, välimuistit (caching), rinnakkaisuus (superscalar, multicore,...), vaiheistus (pipelining), virtualisointi (esim. virtuaalimuisti), laitteistorajapinnat, keskeytykset, moniajo,...

52 Harjoituksissa Koneenrakennusta Portti- ja väylätason piirisuunnittelua, sekventiaalilogiikalla Tietokoneen toimintaperiaatteita rakennamme oman pienen muistiyksikön sekventiaalilogiikalla kertolaskupiirin vaiheistaminen ( pipelining ), jotta piiristä saadaan matalampi ja siten nopeampi (haastetehtävä)

53 Tehtävät oscillator jaksollinen sekventiaalipiiri siirtorekisterillä LFSR lineaarinen takaisinkytkentä-siirtorekisteri memory yhden sanan ja monen sanan muistiyksiköt seqmul sekventiaalinen kertolaskupiiri pipelining (haastetehtävä) logaritmisesti vaiheistettu lineaarisen (tai logaritmisen!) syvyyden kertolaskuyksikkö

54 Seuraava luento (ma 6.3. klo 1 12) poikkeuksellisesti salissa TU2, TUAS-talo, Maarintie 8