Aula 16: Unidade de Controle da ULA, do FD e do Gerador de Imediato

A nossa abordagem considera que:

• As instruções do Tipo R definem a operação da ULA através do funct 3 e funct 7;

• As instruções do Tipo I e S definem a operação da ULA através do opcode e funct 3;

• As instruções do Tipo B definem a operação da ULA através do opcode e funct 3;

• Os pontos de controle do fluxo de dados dependem somente do opcode.

Assim, podemos fazer a decodificação dos pontos de controle do FD separadamente e fazer duas decodificações para a operação da ULA, escolhendo qual usar baseado no tipo de instrução definida pelo opcode.

O diagrama abaixo, mostra essa implementação.

A Unidade de Controle da ULA é composta por dois decodificadores e pelo MUX que seleciona qual resultado da decodificação utilizar.

Para projetar essa unidade, vamos começar analisando os dois decodificadores.

Sinais de Controle da ULA

A unidade de controle da ULA é um circuito decodificador implementado com lógica combinacional. Como todo decodificador, ele converte os sinais de entrada (opcode e funct) em um código de saída (ULActrl).

Sinais de Saída dos Decodificadores

Para que essa conversão seja feita, necessitamos correlacionar todas as entradas e os resultados que elas geram na saída.

O sinal de saída, ULActrl, tem 3 pontos de controle, com as seguintes funções:

• InverteB:

  • Inverte a entrada B da ULA (bit a bit). Utilizado na subtração para fazer o complemento de 2 (no primeiro bit, está conectado com o Carry In). Não pode ser eliminado.

• Seleção:

  • Dois bits para determinar a entrada do MUX que será enviada para a saída.

Isso pode ser visto, com detalhes, no circuito da ULA do RISCV, mostrado abaixo.

Para compatibilidade com o descrito no livro texto, utilizaremos a seguinte ordenação para os bits da palavra de controle da ULA:

A ordem dos sinais dentro da palavra de controle ULActrl

Bit	Função
bit 2	InverteB
bit 1	bit 1 da seleção do MUX
bit 0	bit 0 da seleção do MUX

Sinais de Entrada

No caso dos sinais de entrada, temos dois conjuntos:

• O funct 7 e funct 3, que é utilizado somente nas instruções do tipo R. Seus valorem estão definidos no green card.

• O opcode e funct 3, que é utilizado nas instruções do tipo I, S e B. Seus valorem estão definidos no green card.

Para projetar o circuito da Unidade de Controle da ULA, precisamos definir qual operação deve ser executada para cada instrução.

Considerando somente as instruções do grupo A, temos as seguintes operações:

Operação da ULA para cada Instrução

Instrução	Tipo	Operação da ULA
AND	R	E lógico
OR	R	OU lógico
ADD	R	Soma
SUB	R	Subtração
SLT	R	Subtração
LW	I	Soma
SW	S	Soma
BEQ	B	Subtração

Definindo o Código do ULActrl

Inicialmente, precisamos definir o estado de cada bit do ULActrl para cada operação da ULA. O resultado será o conjunto dos sinais de saída da unidade de controle da ULA.

Considerando o nosso conjunto de instruções e a sequência de bits definida anteriormente (livro texto) e repetida abaixo, podemos resumir a codificação do ULActrl para as operações:

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Decodificador do Opcode e Funct 3 para a Operação da ULA

Para projetar este decodificador, precisamos relacionar a entrada, dada pelo opcode e funct 3, com a saída, dada pelo ULActrl. Para tanto, utilizaremos a tabela abaixo para relacionar esses vetores de entrada com os respectivos vetores de saída.

Operação da ULA para Instrução do Tipo I

Instrução	Operação da ULA	opcode	Funct 3	ULActrl
LW	Soma
SW	Soma
BEQ	Subtração

Decodificador do Funct 7 e Funct 3 para a Operação da ULA

Para projetar este decodificador, precisamos relacionar a entrada, dada pelo funct 7 e funct 3, com a saída, dada pelo ULActrl. Para tanto, utilizaremos a tabela abaixo para relacionar esses vetores de entrada com os respectivos vetores de saída.

Operação da ULA para Instrução do Tipo R

Instrução	Operação da ULA	funct 7	funct 3	ULActrl
AND	E lógico
OR	OU lógico
ADD	Soma
SUB	Subtração
SLT	Subtração

Criando o Circuito

De posse dessas duas tabelas, preenchidas, podemos tratar a relação entre cada bit de saída com as entradas como sendo uma tabela da verdade individual, o que evita erros de implementação.

De acordo com o tipo de instrução, os bits do imediato estão distribuídos de forma diferente dentro da instrução.

Para reordenar esses bits e conseguir o imediato necessário para a execução, pode-se usar a concatenação em VHDL e MUXes para selecionar o resultado adequado à instrução sendo executada.

No caso das instruções do grupo A, precisaremos de MUXes de 4 entradas. Por isso, deixamos dois bits na palavra de controle para executar essa seleção.

Uma solução mais otimizada utilizaria MUXes de tamanhos diferentes, permitindo economizar hardware. Isso é interessante em implementações simples (pequenas) do RISC V.

A imagem abaixo mostra o mapeamento do tamanho desses MUXes.

Uma vez implementados e testados os decodificadores da ULA, vamos implementar a Unidade de Controle do Fluxo de Dados.

Da mesma forma que na implementação dos decodificadores da ULA, teremos que levantar todas entradas e saídas necessárias para este controlador.

Ele deve atuar em todos os pontos de controle do fluxo de dados.

Inicialmente, para entender o problema, devemos levantar a quantidade de pontos de controle do FD.

Em seguida, devemos analisar os efeitos da ativação e desativação de cada ponto de controle do FD e resumir em uma tabela.

O próximo passo é relacionar esses efeitos com o funcionamento de cada instrução (ou tipo de instrução) a ser executada.

Finalmente, chegamos à etapa mais emocionante: a construção da tabela relacionando as entradas e saídas desejadas. Para facilitar o trabalho, a leitura do Apêndice C do livro texto, em especial o ítem C2, será de grande valia.

De posse dessa tabela preenchida, podemos criar o código VHDL.

Palavra de Controle do Fluxo de Dados (FDctrl)

Inicialmente, precisamos definir o conteúdo da palavra de controle. O desenho do FD está na figura abaixo.

Para manter um padrão, utilizaremos os nomes já descritos no desenho. Liste, da esquerda (MSB) para a direita (LSB), todos os pontos de controle e os seus nomes. Esses serão os nossos sinais de saída.

Sinais de Entrada

Os sinais de entrada são os bits que definem a instrução a ser executada. Eles são:

• Campo de opcode (bit 6 até bit 0) da instrução;

• Campo de funct 3 (bit 14 até bit 12) da instrução.

Tabela

Para facilitar o trabalho, temos, abaixo, a tabela com as instruções e os pontos de controle. Basta preencher, para cada instrução, quais os pontos ativos.

Instruções e Pontos de Controle

Instrução	opcode	funct_3	MUX_Ger_Im	Hab_Escr_Reg	MUX_Rs2_Im	Tipo_R	MUX_ULA_MEM	BEQ	HabLerMEM	HabEscrMEM
AND	0110011	111
OR	0110011	110
ADD	0110011	000
SUB	0110011	000
SLT	0110011	010
LW	0000011	010
SW	0100011	010
BEQ	1100111	000

Com a tabela preenchida, para todas as instruções, devemos levantar as equações para a ativação de cada ponto de controle. A forma mais simples é fazer a ativação do ponto de controle através da lógica OR entre as instruções que ativam esse ponto. Ou seja, na coluna de um ponto de controle, toda instrução que tiver o valor 1 preenchido, fará parte dessa lógica OR.

De posse das equações, ou circuito, deve ser feita:

• A implementação em VHDL;

• O teste de funcionamento;

• A integração com o Fluxo de Dados e seu teste completo:

  • Para tanto, será necessário escrever um programa que utilize o conjunto de instruções implementado.

Na aba de Projetos, junto com a descrição do Projeto 2, temos os programas de teste que serão utilizados na avaliação do funcionamento do RISC V.

Esta atividade faz parte da entrega intermediária. Utilizem o horário de atendimento para avaliar o andamento e funcionamento do seu projeto.