Architettura RISC-V
Analizziamo un'implementazione semplificata del processore RISC-V, a cui è associato il corrispondente set di istruzioni.
L'architettura RISC-V utilizza l'architettura pipeline, una tecnica per migliorare le prestazioni basata sulla sovrapposizione dell'esecuzione di più istruzioni appartenenti ad un flusso di esecuzione sequenziale.
L'insieme ridotto di istruzioni contiene le categorie R, I, S e B, non considera le istruzioni nei formati U e J.
Esecuzione delle istruzioni
Il formato di istruzioni completo si compone di:
- opcode (
- numero di registro (
funct3efunct7: estensioni del codice operativo per gestire le operazione dell'ALU- immediato (
Un'istruzione aritmetico logica viene eseguita in 4 passi:
- Prelievo istruzione dalla memoria istruzioni e incremento del
pc. - Lettura dei
- Operazione della ALU sui dati letti dal banco registri, utilizzando il campo
funct3efunct7per realizzare la funzione aritmetico-logica. - Scrittura dell'ALU nel banco dei registri utilizzando i bit
11-7dell'istruzione per selezionare il registro di destinazione.
loadUn'istruzione di load viene eseguita in 5 passi:
- Prelievo istruzione dalla memoria istruzioni e incremento del
pc. - Lettura del registro base dal banco dei registri, usando i bit
- Operazione dell'ALU per calcolare la somma del valore letto dal registro base e dell'immediato a
- Prelievo del dato nella memoria dati utilizzando come indirizzo di lettura il risultato dell'ALU.
- Scrittura del dato proveniente dalla memoria nel banco dei registri, il registro di destinazione è indicati dai bit
storeUn'istruzione di store viene eseguita in 4 passi:
- Prelievo istruzione dalla memoria istruzioni e incremento del
pc. - Lettura del registro base (bit
- Operazione dell'ALU per calcolare la somma del valore letto dal registro base e dell'immediato a
- Scrittura del dato proveniente dal registro sorgente nella memoria dati utilizzando come indirizzo di scrittura il risultato dell'ALU.
Un'istruzione di salto condizionato viene eseguita in 4 passi:
- Prelievo istruzione dalla memoria istruzioni e incremento del
pc. - Lettura dei due registri sorgente dal banco registri, utilizzando i bit
- Operazione dell'ALU per effettuare la sottrazione tra i valori letti dal banco dei registri: il valore del
pcviene sommato all'immediato a - L'uscita Zero dell'ALU viene utilizzata per decidere quale valore debba essere memorizzato nel
pc.
Per ogni tipo di istruzione i primi due passi da eseguire sono identici:
- Inviare il contenuto del
pcad una memoria che contiene il codice per prelevare l'istruzione. - Leggere uno o due registri dal banco dei registri utilizzando i campi dell'istruzione per selezionare i registri ai quali accedere.
Dopo questi passi, le azioni necessarie per concludere l'esecuzione dell'istruzione dipendono dal tipo di istruzione.
Per quanto riguarda il tempo di esecuzione delle istruzioni si ha che:
lddurasddura- Le istruzioni in formato R durano
beqdura
Struttura del processore
Di seguito la struttura base del processore RISC-V.
Si ha che la memoria istruzioni è separata dalla memoria dati. Poi i
Il risultato dell'ALU è utilizzato per:
- Scrivere in un registro destinazione.
- Essere usato come indirizzo di lettura/scrittura della memoria dati.
- Calcolare l'indirizzo della prossima istruzione.
Per temporizzare gli elementi di stato si utilizza un clock con fronte attivo di salita, e quindi le operazioni sono efficaci solo in corrispondenza del segnale di controllo dell'operazione asserito e del fronte attivo del segnale di clock.
Per convenzione non si riporta esplicitamente il segnale di controllo dell'operazione se questa avviene ad ogni fronte attivo del segnale di clock.
Le istruzioni dell'architettura di riferimento hanno tutte immediati a
Per ld e sd l'offset è un valore a byte, mentre per beq l'offset è un valore a mezza parola e per essere sommato al pc per calcolare l'indirizzo destinazione deve essere riportato a offset a byte.
La costruzione dell'immediato a ld, sd e beq, e l'estensione viene effettuata in parallelo nei 3 formati. I due bit di codice operativo
Nel caso di ld e sd l'estensione ottenuta è completa e può essere utilizzata, mentre nel caso di beq, bisogna riportare l'offset a byte, e quindi si esegue uno shift a sinistra di
La base per il calcolo dell'indirizzo di destinazione di un salto è il pc. L'operazione di salto condizionato è costituita da due operazioni:
- Calcolo dell'indirizzo di destinazione del stato tramite un sommatore che effettua la somma tra il
pce il valore dell'offset esteso e fatto scorrere a sinistra di - Confronto nell'ALU del contenuto dei registri operandi letti da
rf. Se il segnale di uscitazeroè asserito la condizione di salto è verificata e l'indirizzo di destinazione del salto diventa il nuovopc.
Per poter caricare nel pc l'indirizzo corretto della prossima istruzione da eseguire è necessario aggiungere un multiplexer a due vie in ingresso al pc stesso.
Combiniamo questi elementi in un'unica unità di elaborazione. Assumiamo che tutte le istruzioni siano eseguite in un solo ciclo di clock:
- Nessuna risorsa può essere utilizzata più di una volta per istruzione.
- Qualsiasi risorsa di cui si ha bisogno più di una volta deve essere duplicata.
Alcune unità funzionali possono essere condivise da differenti flussi di istruzioni, per condividere un elemento tra due diversi tipi di istruzione si deve introdurre un muxer.
Si ha quindi che la struttura della CPU completa è la seguente.
Aggiungendo un unità di controllo per generare i segnali di controllo alla ALU in funzione agli ingressi.
