Απλή μικροεπεξεργαστή Έργα

Πολλά μαθήματα μεταπτυχιακού και προπτυχιακού επιπέδου Very Large Scale Integration - VLSI - έχουν έργα που αφορούν σε μία ή περισσότερες πτυχές του σχεδιασμού μικροεπεξεργαστή . Το επίκεντρο των σχεδίων αυτών είναι να ελέγχεται η ικανότητα του μαθητή να εφαρμόσουν τις θεωρητικές γνώσεις σε ένα πρακτικό περιβάλλον . Τέτοια προγράμματα βοηθούν το μαθητή να αποκτήσουν εμπειρία με το λογισμικό και τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται σε VLSI σχεδιασμό . Ο στόχος πρέπει να είναι να κρατήσει τα έργα είναι αρκετά απλή , έτσι ώστε ο μαθητής μπορεί να ολοκληρωθεί μέσα σε εύλογο χρονικό διάστημα , ενώ παράλληλα παρουσιάζει μια πρόκληση για το μαθητή να σκεφτεί πέρα από το βιβλίο . Απλή μειωμένο σύνολο Computing - RISC - Επεξεργαστής
Η

Σε αυτό το έργο , ο φοιτητής αναμένεται να δημιουργήσει ένα πολύ απλό επεξεργαστή RISC . Το προϊόν επεξεργάζεται έξι οδηγίες : προσθήκη , αφαίρεση, πολλαπλασιασμός , διαίρεση , φόρτωσης και αποθήκευσης . Υποθέσουμε ότι υπάρχουν τρεις καταχωρητές : τα R1, R2 και R3 . Οι αριθμητικές πράξεις - δηλαδή πρόσθεση, αφαίρεση , πολλαπλασιασμό και διαίρεση - πραγματοποιούνται στις τιμές που είναι αποθηκευμένες στα μητρώα R1 και R2 . Ως εκ τούτου , πριν από την εκτέλεση της λειτουργίας , τα μητρώα πρέπει να φορτωθεί . Η έξοδος της επιχείρησης θα αποθηκευτεί στον καταχωρητή R3 . Πριν από την εκτέλεση μια νέα λειτουργία , η αξία του R3 πρέπει να αποθηκεύονται στη μνήμη .

Για το έργο αυτό , η μνήμη θα πρέπει να εφαρμοστεί . Η μνήμη μπορεί να χωριστεί σε δεδομένα και τμήμα διδασκαλίας αντίστοιχα . Ο επεξεργαστής RISC θα πρέπει να διαβάσετε τις οδηγίες από την εκπαίδευση - μνήμης από τη διεύθυνση 0x0 μέσα από μια μέγιστη τιμή , και να εκτελέσει τις αντίστοιχες δράσεις . Η μνήμη μπορεί να φορτωθεί με ένα σύνολο οδηγιών για τη δοκιμή .
Εικόνων Pipelined RISC επεξεργαστή
Η

Στο έργο αυτό , ο επεξεργαστής RISC παραπάνω θα πρέπει να υλοποιηθεί ως έναν επεξεργαστή σωλήνα επένδυση . Ένα τυπικό επεξεργαστή RISC έχει πέντε στάδια αγωγό : " Fetch ", " Decode ", " Εκτέλεση ", "Memory " και " Write Back " . Pipe - επένδυση επιτρέπει σε πολλαπλές οδηγίες για να είναι ενεργές ταυτόχρονα , βελτιώνοντας έτσι την απόδοση του συστήματος .

Επεξεργαστές Pipe - επένδυση μπορεί να υποφέρουν από φυσαλίδες ή χρονικών κύκλων , όπου καμία χρήσιμη λειτουργία εκτελείται . Σε ένα ιδανικό επεξεργαστή αγωγό , υποτίθεται σε όλα τα στάδια του σωλήνα γραμμής ολοκληρώθηκε σε ένα χρόνο κύκλου , και δεν υπάρχει εξάρτηση από μια εντολή από την άλλη . Ωστόσο , μερικές φορές το αποτέλεσμα της προηγούμενης εντολής μπορεί να απαιτείται από την επόμενη εντολή . Σε τέτοιες περιπτώσεις , καμία χρήσιμη λειτουργία μπορεί να εκτελεστεί μέχρι να ολοκληρωθεί η προηγούμενη εντολή . Οι μαθητές που μεταβάλλουν την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή για την ελαχιστοποίηση αυτών των νεκρών κύκλων μπορεί να δοθεί πρόσθετη πίστωση.

Η Performance Analysis της Αριθμητικής Μονάδες
Η

Για το έργο αυτό , διαφορετικές υλοποιήσεις οι αριθμητικές λειτουργίες μπορεί να μελετηθεί για την πύλη καταμέτρηση σε σχέση με τα οφέλη απόδοσης . Για παράδειγμα , η προσθήκη θα μπορούσε να εφαρμοστεί ως αθροιστή κυματισμός - carry ή αθροιστή carry -look - μπροστά. Μια αθροιστή κυματισμός - carry κυματίζει η μεταφορά από το ένα στάδιο προσθήκης στο άλλο, και το τελικό αποτέλεσμα είναι διαθέσιμη όταν η τελευταία φάση έχει εκτελεστεί την προσθήκη . Η προσθήκη αυτή είναι αργή , με την έννοια ότι παίρνει πολλούς κύκλους για το αποτέλεσμα να είναι διαθέσιμες . Ωστόσο , η προσθήκη κυματισμός - carry μπορεί να εφαρμοστεί με χαμηλό πύλη καταμέτρηση .

Μια αθροιστή carry -look - μπροστά καθορίζει την αξία της μεταφοράς της προσθήκης μπροστά από το χρόνο . Δεδομένου ότι η αξία μεταφοράς υπολογίζεται μπροστά από το χρόνο , ο αθροιστής μπορεί να υπολογίσει το αποτέλεσμα σε λιγότερους κύκλους . Ωστόσο , η προσθήκη carry -look - μπροστά εκτελεί περισσότερους υπολογισμούς , και ως εκ τούτου είναι ψηλά στην πύλη καταμέτρηση .

Ο πολλαπλασιαστής θα μπορούσε να εφαρμοστεί ως πολλαπλασιαστής Booth ή έναν πολλαπλασιαστή shift- add βάση . Το σύστημα shift- add βάση είναι η κανονική μέθοδος χαρτί και μολύβι- μετατόπισης και την προσθήκη κατ 'επανάληψη μέχρι το αποτέλεσμα να οριστικοποιηθεί . Ο πολλαπλασιαστής Booth αντιπροσωπεύει την πολλαπλασιαστή σε ένα πιο βέλτιστο τρόπο για να μειωθεί σημαντικά ο αριθμός των προσθηκών που απαιτούνται . Ως εκ τούτου , χρειάζεται λιγότερο αριθμό των κύκλων του χρόνου για τον υπολογισμό του τελικού αποτελέσματος .
Εικόνων Απλή Cache Controller
Η

Ένα απλό ελεγκτή μνήμης cache μπορεί να οικοδομηθεί . Ο ελεγκτής μνήμης cache θα μπορούσε να είναι τεσσάρων κατευθύνσεων set- associative , με λιγότερο πρόσφατα χρησιμοποιημένων - ΕΕΣ - με βάση την πολιτική αντικατάστασης . Όταν ένα μπλοκ κρυφής μνήμης πρέπει να αντικατασταθεί , η πολιτική ΕΕΣ επιλέγει το λιγότερο πρόσφατα χρησιμοποιημένα μπλοκ κρυφής μνήμης , και αντικαθιστά αυτό το μπλοκ .

Σε ένα four-way set- associative cache , κάθε μπλοκ μνήμης μπορεί να τοποθετηθεί σε μία από τις τέσσερις θέσεις στη μνήμη cache . Σε σύγκριση με την άμεση αντιστοίχισης μνήμη cache, όπου κάθε μπλοκ μνήμης μπορεί να βρίσκεται σε ακριβώς μια θέση στη μνήμη cache , η four-way set- associative cache παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία για τη θέση μπλοκ και , αντίστοιχα, την καλύτερη απόδοση της μνήμης cache .

η μνήμη cache θα πρέπει να εφαρμοστεί με δύο write-back και να γράφουν - μέσω των πολιτικών . Όταν τα δεδομένα στη μνήμη cache έχει τροποποιηθεί, το write-back πολιτική ενημερώνει την κύρια μνήμη μόνο όταν το μπλοκ κρυφής μνήμης αντικαθίσταται . Από την άλλη πλευρά , το write -through πολιτική ενημερώνει την κύρια μνήμη κάθε φορά τα δεδομένα στη μνήμη cache έχει τροποποιηθεί .
Εικόνων Απλή Cache Συνεκτική σύστημα
Η

Μια απλή διαδικασία δύο cache επεξεργαστή συνεκτικό σύστημα με ένα σύστημα τροποποιημένο αποκλειστική - από κοινού - άκυρο -based μπορεί να υλοποιηθεί . Κάθε επεξεργαστής θα έχει τη δική του μνήμη cache του . Σε αυτό το καθεστώς , μια γραμμή ή μπλοκ της κρυφής μνήμης μπορεί να είναι σε μία από τις τέσσερις πολιτείες και συγκεκριμένα , « τροποποιημένο », « αποκλειστικές », « από κοινού» ή « άκυρο ». Η γραμμή είναι σε "τροποποιημένη" κατάσταση , εφόσον τα δεδομένα αυτής της γραμμής είναι έγκυρη μόνο στην κρυφή μνήμη του επεξεργαστή . Μια γραμμή είναι "αποκλειστική " εάν τα δεδομένα στην εν λόγω γραμμή είναι παρούσα στην κρυφή μνήμη του επεξεργαστή , καθώς και στην κύρια μνήμη . Μια γραμμή είναι «από κοινού» , αν τα δεδομένα είναι έγκυρα στην προσωρινή μνήμη των δύο επεξεργαστών . Μια γραμμή είναι " άκυρο " αν τα δεδομένα δεν είναι έγκυρη στη μνήμη cache του επεξεργαστή .

Πρέπει να εφαρμοστούν δύο κατάλογο με βάση συνέπειας μνήμης cache και τη συνοχή κατασκοπείας - με βάση , και η επεκτασιμότητα του κάθε αλγορίθμου με την αύξηση του αριθμού επεξεργαστές θα πρέπει να μελετηθεί . Ένας κατάλογος με βάση το μηχανισμό της συνοχής cache διατηρεί έναν κατάλογο της κατάστασης της μνήμης cache στην κύρια μνήμη . Αυτός ο κατάλογος είναι στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την αποστολή μηνυμάτων προς τον επεξεργαστή για την κατάσταση του κάθε μπλοκ κρυφής μνήμης . Σε ένα σύστημα που βασίζεται snoop , κάθε τροποποίηση των αποτελεσμάτων του cache block σε ένα μηχανισμό εκπομπής με την οποία οι κρύπτες των άλλων επεξεργαστών ενημερωθούν για την αλλαγή του μπλοκ κρυφής μνήμης .
Η
εικόνων