77 Camino de datos y unidadCamino de datos y unidad dede7.7. Camino de datos y unidad Camino de datos y unidad de de controlcontrolco t oco t o

Fundamentos de los ComputadoresGrado en Ingeniería Informáticag

IntroducciónIntroducción

La versatilidad es una característica deseable de los sistemas digitalesgUn sistema digital complejo puede ser capaz de manipular unos datos determinados de formas diferentes, en función de lo que indique un programa

L bj i dLos objetivos de este tema son:Describir el diseño de un camino de datos utilizando elementos combinacionales y secuencialescombinacionales y secuencialesDescribir el diseño de una unidad de control que permita interpretar un programa y utilizar el camino de datos para distintos fines

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IntroducciónIntroducción

Introducción

Camino de datosDiseño de un camino de datos sencilloDiseño de un camino de datos más completoCaminos de datos generales

Unidad de controlDiseño de una unidad de controlImplementación de una unidad de control

Resumen y BibliografíaResumen y Bibliografía

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Caminos de datosCaminos de datosLos caminos de datos son sistemas digitales utilizados con frecuencia para la manipulación de datos y la realización de cálculos numéricos complejos

P l l l i d d t f i d l i i tPor regla general, los caminos de datos funcionan de la siguiente manera:

Los valores de variables y constantes se almacenan en registros o y gmemorias tras el flanco de la señal de relojEstos valores son modificados durante el período entre dos flancos de reloj por medio de lógica combinacionalreloj por medio de lógica combinacionalLos resultados de estas operaciones se vuelven a almacenar en los registros o memorias tras el siguiente flanco de reloj

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IntroducciónIntroducción

Introducción

Camino de datosDiseño de un camino de datos sencilloDiseño de un camino de datos más completoCaminos de datos generales

Unidad de controlDiseño de una unidad de controlImplementación de una unidad de control

Resumen y BibliografíaResumen y Bibliografía

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Un camino de datos sencilloUn camino de datos sencillo

Por ejemplo, para realizar la suma de 100 números se podría seguir un algoritmo iterativog g

suma = 0para i = 1 a 100

suma = suma + entrada

Este bucle podría ejecutarse en un camino de datos de 32 bits

suma = suma + entradafin para

Este bucle podría ejecutarse en un camino de datos de 32 bits formado por un registro y una ALU

La variable suma se almacenaría en el registro, que denominaremos acumuladorEn cada ciclo se sumaría al contenido del acumulador el valor de una nueva variable de entradanueva variable de entrada

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Un camino de datos sencilloUn camino de datos sencillo

Este diagrama muestra un ejemplo de camino de datos j psencillo que podría realizar esta suma

El multiplexor permite elegir el operando de la izquierda de la ALU de entre un 0 y el valor de una línea de entradavalor de una línea de entrada

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Un camino de datos sencilloUn camino de datos sencillo

El acumulador es un registro de desplazamiento con carga en p gparalelo

El d d l d h d lEl operando de la derecha de la ALU será siempre el contenido del acumuladordel acumulador

El contenido del acumulador también puede obtenerse como salida a través de un adaptador triestadotriestado

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Un camino de datos sencilloUn camino de datos sencillo

En cada ciclo del funcionamiento del circuito será necesario determinar los valores de las 9 señales de control

Los valores de estas señalesLos valores de estas señales vendrán dados por una palabra de control de 9 bits

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Un camino de datos sencilloUn camino de datos sencillo

En total, este camino de datos necesita 102 ciclos para prealizar su función

E l i i lEn el primer ciclo se pone a cero el acumulador

El los siguientes 100 ciclos se realiza la suma

En el último ciclo se saca el resultado por la salidaresultado por la salida

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Un camino de datos sencilloUn camino de datos sencillo

Durante la realización de esta operación será necesario pgenerar 102 palabras de control

Con una secuencia diferente de palabras de control podríade palabras de control podría usarse este camino de datos para realizar otras operaciones sencillas

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IntroducciónIntroducción

Introducción

Camino de datosDiseño de un camino de datos sencilloDiseño de un camino de datos más completoCaminos de datos generales

Unidad de controlDiseño de una unidad de controlImplementación de una unidad de control

Resumen y BibliografíaResumen y Bibliografía

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Un camino de datos más completoUn camino de datos más completo

Un camino de datos sencillo con un acumulador puede ser utilizado para la realización de operaciones aritméticas simplesp p p

Sin embargo, la realización de operaciones aritméticas más l j i á l i l t ió d i d d tcomplejas requerirá la implementación de un camino de datos

más elaborado

Además, la necesidad de usar más de una variable temporal puede obligar a usar un banco de registros en lugar de sólo un acumulador

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Un camino de datos más completoUn camino de datos más completo

Este diagrama muestra un camino de datos más complejop j

El circuito incluye un banco de i t d t tregistros de tres puertos que se

encarga tanto de proporcionar los dos operandos a la ALU como dedos operandos a la ALU como de memorizar el resultado de la operación

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Un camino de datos más completoUn camino de datos más completo

Este camino de datos se controla con una palabra de p20 bits que determina los destinos, fuentes y operaciones del circuito

Aquí se muestran las tablas deAquí se muestran las tablas de operación de la ALU y el registro de desplazamiento, así como la estructura de la palabra de control

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IntroducciónIntroducción

Introducción

Camino de datosDiseño de un camino de datos sencilloDiseño de un camino de datos más completoCaminos de datos generales

Unidad de controlDiseño de una unidad de controlImplementación de una unidad de control

Resumen y BibliografíaResumen y Bibliografía

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Caminos de datos generalesCaminos de datos generales

Los caminos de datos vistos hasta ahora resultarían demasiado lentos para muchas aplicacionesp p

Para conseguir mejores prestaciones, es necesario que los i d d t d li i icaminos de datos sean capaces de realizar varias operaciones

concurrentemente, dando lugar a caminos de datos paralelos

El primer paso para conseguir un camino de datos paralelo sería aumentar el número de puertos del banco de registros

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Camino de datos paraleloCamino de datos paralelo

Este diagrama muestra un camino de datos con un banco de registros de seis puertos, seis buses y cuatro unidades g p , yfuncionales

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Camino de datos paraleloCamino de datos paralelo

Este camino de datos puede hacer dos operaciones en paralelo, una en la ALU o el desplazador y la otra en el multiplicador o el p y pdivisor

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Camino de datos paraleloCamino de datos paralelo

Sin embargo, este camino de datos no podría realizar una suma y un desplazamiento a la vez o una multiplicación y una división al p p ymismo tiempo

Ad á t i d d t t d li dAdemás, este camino de datos tampoco es capaz de realizar dos sumas o dos multiplicaciones a la vez

Por lo tanto, este camino de datos paralelo no sería realmente capaz de duplicar las prestaciones del camino de datos sencillo, ya que el paralelismo disponible es sólo parcial

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Camino de datos a medidaCamino de datos a medida

Por lo tanto, las prestaciones de un camino de datos dependerán no sólo del número y tipo de unidades funcionales, sino también y p ,de cómo estén conectadas

E t i ifi l h d di ñ i d d tEsto significa que, a la hora de diseñar un camino de datos paralelo, habrá que hacerlo a medida, teniendo en cuenta el objetivo del circuito para obtener la mejor relación entre su costeobjetivo del circuito para obtener la mejor relación entre su coste y sus prestaciones

Se necesitará una cantidad concreta de cada unidad funcionalAlgunas unidades funcionales necesitarán un bus propioOtras unidades funcionales podrán compartir un bus

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Camino de datos a medidaCamino de datos a medida

Este diagrama muestra un ejemplo de camino de datos a medida, aunque un diseño real dependería de las prestaciones necesarias q p py la complejidad aceptable

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IntroducciónIntroducción

Introducción

Camino de datosDiseño de un camino de datos sencilloDiseño de un camino de datos más completoCaminos de datos generales

Unidad de controlDiseño de una unidad de controlImplementación de una unidad de control

Resumen y BibliografíaResumen y Bibliografía

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Unidad de controlUnidad de control

La operación realizada por un camino de datos depende de la secuencia de palabras de control que se le suministran a lo largo p q gde su funcionamiento

P li ió t i l di ñ dPara realizar una operación concreta es necesario el diseño de una unidad de control que, en cada ciclo de reloj, proporcione la palabra de control adecuadapalabra de control adecuada

Esta unidad de control puede implementarse como un circuito secuencial con biestables que almacenen su estado, una lógica de estado siguiente y una lógica de salida que proporcione la palabra de controlpalabra de control

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IntroducciónIntroducción

Introducción

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Unidad de controlDiseño de una unidad de controlImplementación de una unidad de control

Resumen y BibliografíaResumen y Bibliografía

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

Como ejemplo vamos a diseñar una unidad de control que utilice qel camino de datos sencillo con un banco de registros de 3 puertos para realizar un contador de unos

Este circuito recibirá un dato de entrada, contará el número de unos que tenga y lo sacará por la salida

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

Comenzaremos por suponer que el dato de entrada proviene del exterior y está disponible en las entradas del circuitoy p

Para describir el algoritmo utilizaremos cuatro variables t l d d l l á i d d ltemporales, cada una de las cuales será asignada a uno de los registros del banco de registros

Dato – almacenará el dato de entradaDato – almacenará el dato de entradaCuenta – almacenará el número de unos del datoMáscara – contendrá la constante 1Temp – variable auxiliar

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

El algoritmo de la cuenta de unos debe, en primer lugar, inicializar las variables

Introducir el dato de entrada en la variable DatoInicializar la variable Cuenta a 0 y la variable Máscara a l

Tras esto se entra en un bucle para comprobar cada bitSe obtiene el bit menos significativo del número haciendo un AND de Dato con MáscaraDato con MáscaraSi el bit es 1 se incrementa la CuentaSe desplaza el Dato una posición a la derechap pEl bucle terminará cuando Dato sólo contenga ceros

Por último, el valor de Cuenta aparecerá a la salida

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

Éste es el algoritmo necesario para realizar la operación, así como una posible asignación de los registros necesarios para las p g g pcuatro variables

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

Conociendo el algoritmo y los registros asignados a las variables, podemos replantearlo para obtener la secuencia de palabras de p p p pcontrol necesaria

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

La unidad de control sería un módulo secuencial separado con ptres señales

Inicio – señal de entrada que indica d lcuando comenzar la cuenta

Dato≠0 – señal de entrada proporcionada por el camino de p p pdatosHecho – señal de salida que indica que la cuenta ha terminado y elque la cuenta ha terminado y el resultado está disponible a la salida

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

Para implementar los ocho estados de la unidad de control serán necesarios tres biestables, que supondremos de tipo D, q p pEl cálculo de la lógica de estado siguiente se realiza de la forma habitual

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

La lógica de salida de la unidad de control debe incluir la señal de salida Hecho y las 20 señales pertenecientes a la palabra de y p pcontrol del camino de datos

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Diseño de una unidad de controlDiseño de una unidad de control

Este diagrama muestra el contador de unos con la implementación de la unidad de control y el camino de datos que se ha utilizado

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IntroducciónIntroducción

Introducción

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Unidad de controlDiseño de una unidad de controlImplementación de una unidad de control

Resumen y BibliografíaResumen y Bibliografía

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Implementación de la unidad de controlImplementación de la unidad de control

Hasta ahora se ha supuesto que la unidad de control se diseña usando biestables con la correspondiente lógica asociada para p g pcalcular el estado siguiente y la salidaPodemos pensar en el conjunto de biestables como en un registro de estado que almacena, como su nombre indica, el estado de la unidad de control

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Implementación de la unidad de controlImplementación de la unidad de control

El tipo de implementación que hemos visto, basada en un registro de estado, resulta útil para unidades de control sencillasg , p

Sin embargo, una unidad de control puede llegar a tener miles de t d ibl i t d ñ l d t d lid lestados posibles y cientos de señales de entrada y salida, por lo

que una implementación con biestables daría un resultado demasiado complejodemasiado complejo

Por este motivo, existen varios diseños alternativos que permiten simplificar la implementación de las unidades de control

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Implementación de la unidad de controlImplementación de la unidad de control

Una posibilidad para simplificar la implementación de las lógicas de estado siguiente y salida es utilizar un decodificadorg g yCada estado se identifica mediante una señal que valga 1 cuando el registro de estado esté en un estado concreto y 0 en los demás casos

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Implementación de la unidad de controlImplementación de la unidad de control

También se puede simplificar la lógica de estado siguiente aprovechando que muchas unidades de control tienen secuencias p qde estados con un único sucesor

Codificando consecutivamente los estados de las secuenciasSustituyendo el registro de estado por un contadorEl contador incrementará el estado para seguir por una secuencia o cargará un nuevo valor para saltar a otra distintaun nuevo valor para saltar a otra distinta

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Implementación de la unidad de controlImplementación de la unidad de control

Una última estrategia requiere sustituir la lógica de estado siguiente por una memoria ROM de controlg pEn este tipo de diseños, que suelen recibir el nombre de control microprogamado, el registro de estado actúa como un registro de direcciones para la ROM

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Implementación de la unidad de controlImplementación de la unidad de control

El contenido de la ROM, que suele conocerse como microprograma, determina cuál es el estado siguiente a partir de p g , g puno dadoLa lógica asociada a la ROM es la encargada de determinar el estado siguiente, lo que puede implicar

Seguir incrementando secuencialmente el valor del estadoli l i d d lRealizar un salto a otra secuencia dentro del programa

Mientras que la implementación con un registro de estado es la más popular para circuitos sencillos el control microprogramadomás popular para circuitos sencillos, el control microprogramadose emplea con frecuencia en el diseño de procesadores complejos

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IntroducciónIntroducción

Introducción

Camino de datosDiseño de un camino de datos sencilloDiseño de un camino de datos más completoCaminos de datos generales

Unidad de controlDiseño de una unidad de controlImplementación de una unidad de control

Resumen y BibliografíaResumen y Bibliografía

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ResumenResumen

Las unidades de memorización permiten almacenar los valores de las variables usadas en los programas que se ejecutan en un p g q jcamino de datos

L i t t ió d t t dLa interpretación de estos programas corre a cuenta de una unidad de control, que indica al camino de datos lo que debe hacer para obtener los resultados deseadoshacer para obtener los resultados deseados

Una unidad de control capaz de interpretar un programa y un camino de datos capaz de ejecutarlo nos permiten entrever cómo se realiza el diseño de un procesador real

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BibliografíaBibliografíaPrincipios de Diseño Digital

Capítulo 7Daniel D. GajskiPrentice Hall, 1997

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