Розробка конвеєрного процесора.

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет “Львівська політехніка”

Кафедра ЕОМ

Розробка конвеєрного процесора.

Методичні вказівки
до лабораторної роботи № 4 з курсу

“Основи проектування цифрових засобів на ПЛІС”

для студентів базового напряму 6.050102 - “Комп’ютерна інженерія”

Затверджено
на засіданні кафедри
”Електронні обчислювальні машини”
Протокол № від року

Розробка конвеєрного процесора: Методичні вказівки до лабораторної роботи № 4 з курсу “Основи проектування цифрових засобів на ПЛІС” для студентів базового напряму 6.050102 - “Комп’ютерна інженерія” / Укладачі: _____________________., – Львів: Національний університет “Львівська політехніка”, 2012, с.

Укладачі

Рецензенти

Відповідальний за випуск: Мельник А. О., професор, завідувач кафедри

Розробка конвеєрного процесора.

Мета роботи:розробити конвеєрний процесор.

МЕТОДИЧНІ МАТЕРІАЛИ

Конвеєрні процесори (КП) СКС повинні обробляти інтенсивні потоки даних відповідно до швидкості їх надходження, тоюто в реальному масштабі часу, причому прийом нового масиву даних здійснюється одндчасно з обробкою попереднього.

Існує два типи КП: рекурсивні (КРП) та нерекурсивні (КНП). До складу КП входять: конвеєрний операційний пристрій(КОП), буферна пам’ять(БП) та блок керування(БК) [1].

За один прохід масиву в КОП КНП виконуються всі функціональні операції і-го яруса потокового графу(ПГ) алгоритму(він описує алгоритм роботи спеціалізованого пристрою). У КНП відсутні зворотні зв’язки виходів КОП та БП (рис. 1), яка впорядковує дані при їх подачі на входи КОП. БК синхронізує роботу КОП та БП, формує коди операцій КОП і адреси БП.

Рис. 1.

В КОП КРП виконуються функціональні оператори декількох ярусів ПГ алгоритму, або весь алгоритм за кілька проходів через нього масиву вхідних даних. В КРП присутні зворотні зв’язки виходів КОП та БП (рис. 2).

Рис. 2.

КОП КРП у більшості випадків є багатофункціональними. Однофункціональними вони будуть тільки у випадку, коли КРП виконує алгоритм, всі функціональні оператори якого є однаковими. БК здійснює загальну синхронізацію, адресацію БП, задає код операції КОП та організовує цикли.

Основою конвеєрних рекурсивних та нерекурсивних процесорів є конвеєрний операційний пристрій (КОП). КОП апаратно відображається шляхом послідовного з’єднання комбінаційних схем (КС). Всі КС з’єднані між собою безпосередньо або через конвеєрні регістри (КР). Структура КГАОП показана на рис. 2. 3.

На даному малюнку використані наступні скорочення:

Х_i – входи надходження даних(і = 1, 2,..., r), r – кількість входів, Y_j – виходи результатів обчислень(j = 1, 2,..., s), s – кількість виходів, КРД та КРК – КР відповідно даних (Д) та команд (К), m – кількість ярусів алгоритму, n – кількість ярусів конвеєра КОП.

Якщо структура КОП орієнтована на реалізацію алгоритму, який обчислює одну функцію, він називається однофункціональним, групу функцій – багатофункціональним. Універсального КОП немає, оскільки не існує універсального алгоритму. Звідси стають зрозумілими галузі застосування цього виду пристроїв – вирішення однієї або вузького кола задач.

Нехай в КОП обробляється масив чисел X = {X₁, X₂,..., X_r}, r = 1, 2,.., N. В першому такті переднім фронтом тактового імпульсу Т в регістр КРД1 записується значення Х1. Над ним в комбінаційній схемі КС1 першого ярусу виконується операція Ф1. Переднім фронтом другого імпульсу результати цієї операції переписуються в регістр КРД2, а в регістр КРД1 запишеться значення Х2. В комбінаційних схемах КС1, КС2 над значеннями, що зберігаються відповідно в регістрах КРД1 та КРД2 виконуються операції Ф1 і Ф2. В третьому такті результати з КС2 записуються в КРД3 і т. д. На регістри ярусів конвеєра, що звільнюються, в кожному такті надсилаються нові дані оброблюваного масиву, над якими виконуються ті ж операції. При повному завантаженні конвеєра одночасно виконуються оператори всіх m ярусів алгоритму. Стан КОП в t -му такті його роботи при обробці N чисел визначається вектором А(t)=/ А₀(t) А₁(t)... А_m(t)/ де t = 1, 2,..., (m+N). При цьому А_m(t) = Y_t, тобто в кожному такті на виході КОП з’являється результат обчислення, крім перших m тактів, коли заповнюється конвеєр.

Оскільки в різних ярусах конвеєра реалізуються операції з різною точністю, регістри ярусів мають різну розрядність, рівну розрядності вхідної інформації і -го ярусу ПГ алгоритму. Тому кожний багатофункціональний КОП повинен мати деяку кількість елементів для забезпечення налаштування на задану операцію. Зокрема, комбінаційні схеми ярусів можуть містити комутатори прямих зв’язків, за допомогою яких здійснюється налаштування КС на виконання необхідної операції. Відмінність структури багатофункціонального КОП від однофункціонального полягає в наявності конвеєрних регістрів команд КРК, що зберігають код операції, а також зв’язків для налаштування на потрібну операцію комбінаційних схем ярусів КОП. По конвеєру, під керуванням тактових імпульсів Т, синхронно з даними просуваються і команди по КРК. Команда з виходу відповідного регістра налаштовує комбінаційні схеми ярусу на виконання необхідної операції. Для ярусів конвеєра можна записати: A_i+1= Ф_і(А_і, К_і), де К_і – вмістиме регістра КРК і -го ярусу конвеєра На регістри ярусів конвеєра, що звільнюються, в кожному такті надсилаються нові дані оброблюваного масиву, над яким виконуються ті ж операції. Перетворення над вхідними даними Х в КОП описується виразом:

У=Ф_m(К_m, Ф_m(К_m, Фm(..., Ф(К, Х)...))).

X₁ X₂ X_r T K

Y₁ Y₂ Y_S

Рис. 3. Структура КОП.

БК здійснює загальну синхронізацію, адресацію БП, задає коди операцій КОП організовує цокли. В даній лабораторній роботі керуючі сигнали БК можна задавати як сигнали, що надходять ззовні, тобто сам БК не треба проектувати як окремий пристрій. Достатньо подати відповідні керуючі сигнали на КОП та БП.