コンピュータアーキテクチャ 第 9 回

レジスタ転送レベル (RTL: Register Transfer Level) プロセッサの動作を で表現する抽象化のレベル 今回の内容 マイクロ操作：RT レベルの操作単位 データ転送：バス（　　　　　　　　　　　　　　　）によるデータ送受 バス構成：レジスタや ALU 等をつなぐバスの仕組み メモリモデル：メモリ仕様（ここでは RT レベル） マイクロアーキテクチャ：RT レベルのハードウェア構成（全体像） レジスタやメモリのあいだのデータ転送 * * ALU 等の機能モジュールによる演算 * 信号母線，共通信号路

ハードウェアモデルにおける位置付け * メモリモデル * バス構成 * マイクロ アーキテクチャ

マイクロ操作 (Micro Operation ) RT レベルの設計 各機能モジュールの信号線結合の決定 データ転送・演算をマイクロ操作で実現 マイクロ操作 ２つ以上のマイクロ操作の並列実行あり １個～数個のマイクロ操作で各機械語命令を実現 例： * １クロックサイクルのあいだに実行される転送・演算操作 * * 機械語命令: ADDA GR1, GR2 マイクロ操作: GR1 ← GR1 + GR2 * ← : 転送を表す

データ転送における配線遅延 レジスタ間のデータ送信／受信 水位モデル（？）の類似 送信データが 過渡現象的な バスの電位レベルを制御 * 遅延 (delay)あり * 送信側：次のクロックの立ち上がり 　　までにレベルを確定 受信側：次のクロックの立ち上がり 　　でレベルを観測

レジスタのバス接続（二つの方式） * * レジスタの出力をマルチプレクサで選択制御してからバスへ接続 レジスタの出力を個別に接続・切断するよう制御

レジスタのデータ転送例 * マイクロ操作

COMET II のレジスタ間データ転送 * * * 機械語命令: LD GR6, GR2 マイクロ操作: GR6 ← GR2

データ転送 例題 (1) GR3 ← GR0 　のあとに GR7 ← GR3

データ転送 例題 (2) * GR0 ← GR3 　のあとに GR7 ← GR0 　さらに GR3 ← GR7

1 バス構成例 三つのマイクロ操作で C1: ACC ← GR0 ADDA GR0, GR1 を実現 C2: ACC ← GR1 + ACC * C2: ACC ← GR1 + ACC C3: GR0 ← ACC ACC: アキュムレータ（累算器）

1 バス構成のタイムチャート例 *

2 バス構成例 二つのマイクロ操作で ADDA GR0, GR1 を実現 C1: RG ← GR0 * C2: GR0 ← GR1 + RG

2 バス構成のタイムチャート例 *

3 バス構成例 * C1: GR0 ← GR0 + GR1 * 一つのマイクロ操作で ADDA GR0, GR1 を実現

メモリ (Memory) メモリモデル コンピュータを設計する上で前提とするメモリ仕様 本講義：プロセッサからのデータアクセス仕様 データアクセスのためのバス構成 制御信号 半導体メモリ ROM (Read Only Memory): 読み込み専用 RAM (Random Access Memory): 読み書き可能 SRAM (Static RAM): DRAM (Dynamic RAM): 本講義：SRAM をメモリモデルに仮定 １クロックでメモリ・レジスタ間のデータ転送が可能と仮定 実際の多くのコンピュータでは数クロック以上を要する キャッシュメモリ(cache memory)によるアクセス性能の改善 フリップフロップで記憶 * コンデンサで記憶 * フォンノイマンボトルネック *

メモリモデル (Memory Model) * * read 信号：読み込みを許可する制御信号 write 信号：書き込みを許可する制御信号 MAR: MDR: * 演算部からメモリへデータアクセスするときのアドレス指定 * メモリデータの読み込み・書き出しのためのバッファ read 信号：読み込みを許可する制御信号 write 信号：書き込みを許可する制御信号

メモリアクセスのタイムチャート * バスの 値が不定 *

マイクロアーキテクチャ (Micro Architecture) RT レベルのハードウェア構成 汎用レジスタ GR0 ～ GR7 スタックポインタ SP プログラムレジスタ PR フラグレジスタ FR メモリ 算術論理演算ユニット ALU シフタ メモリアドレスレジスタ MAR メモリデータレジスタ MDR インストラクションレジスタ IR 制御部 * 機械語レベルで意識する必要のある機能モジュール 機械語レベルでは見えない機能モジュール *

3 バス構成による COMETⅡのマイクロアーキテクチャ例 ハードウェアモデルにさらに追加するレジスタ類 SDR: スタックデータレジスタ *

レジスタと ALU の３バス構成の タイムチャート 機械語命令 　SUBA GR1, adr, GR7 と 　POP GR7 を連続実行 * mem(・): 括弧内のレジスタが指す 　　　　　　　　メモリアドレスの内容

演習問題 9.1 C2: SDR ← MAR, SP ← SP - 1 機械語命令 PUSH adr, GR1 は，マイクロ操作 C1: MAR ← MDR + GR1 C2: SDR ← MAR, SP ← SP - 1 C3: mem(SP) ← SDR で，また　ADDL GR1, GR5 は，マイクロ操作 C4: GR1 ← GR1 + GR5 で実行される．前述の3バス構成例で，これらの命令を連続 して実行するタイムチャートを示せ．

演習問題 9.2 前述の３バス構成例において，次の４つのクロックサイクル のマイクロ操作を連続して実行するタイムチャートを示せ．

同期式プロセッサの問題点／打開策 配線遅延が支配的 非同期式プロセッサの研究 にあわせてクロック周波数を採用 配線遅延が今後大きくなる傾向 ゲート遅延減少の利点を生かせない 非同期式プロセッサの研究 全体としてのクロックの採用を廃止　 データ転送に の手順を採用 配線遅延の影響小 ゲート遅延減少の利点を生かせる 最大の配線遅延 * “要求と応答” *