Direkte Implementierung

Steuerwerk einer CPU 

Einführung in die Technische Informatik 

Falko Dressler, Stefan Podlipnig 

Universität Innsbruck

Übersicht 

• Implementierung des Datenpfads 

• Direkte Implementierung 

• Mikroprogrammierung 

Einführung in die Technische Informatik - WS 11/12 

Steuerwerk einer CPU 2

Lernziele 

• Einführung in die Arbeitsweise eines CPU-Steuerwerks 

• Detailliertes Verständnis der Abarbeitung eines Befehls in einer 

CPU am Beispiel MIPS 

• Aufbau, Einsatz, und Vorteile eines mikroprogrammierbaren CPU- 

Steuerwerks 



IMPLEMENTIERUNG DES 

DATENPFADS 



Implementierung des Datenpfads (1) 

• Wenn Befehle verarbeitet werden, dann durchlaufen sie Teile des 

sogenannten Datenpfads. 

• Zur Implementierung des Datenpfads der MIPS ISA werden unter 

anderem benötigt: 

� Arithmetisch-Logische Einheit (ALU) 

� Registersatz mit 32 Registern 




• Arithmetisch-Logische Einheit (ALU) 

� Zwei 32-Bit Eingänge A und B 

� Benötigte arithmetische Operationen: 

− Addition A + B 

− Subtraktion A – B 

� Benötigte logische Operationen 

− and, or, nor, xor 

− Bitweise auf 32-Bit Operanden A und B 

� Vergleich, ob A < B 

� Test auf A = B 

� Mit separatem 1-Bit Ausgang Null 

� Auswahl der Operation über 4-Bit Steuerleitung 



• Registersatz 


� Schaltwerk, das 32 Registern beinhaltet. 

� Es sind zwei Leseports und ein Schreibport erforderlich. 

� Zwei Register müssen gleichzeitig gelesen werden. 

− Liefern Operanden A und B für ALU. 

� Ein Register muss ALU-Ergebnis vom 32-Bit Dateneingang aufnehmen. 

− Daten werden bei Impuls auf Steuerleitung RegWrite übernommen. 

� Auswahl der Register über drei 5-Bit Register-Adress-Eingänge. 




• Für eine umfangreichere Realisierung des Datenpfads einer MIPS 

ISA sind zudem erforderlich: zwei Multiplexer, eine 16 → 32 Bit 

Vorzeichenerweiterung sowie Schnittstellen zum Datenspeicher. 



DIREKTE IMPLEMENTIERUNG 



Direkte Implementierung (1) 

• In diesem Abschnitt soll zunächst ein einfaches Steuerwerk für die 

MIPS CPU realisiert werden, mit dem in einem Takt 

� der nächste Befehl geholt (und der Befehlszähler erhöht), 

� dekodiert (und die Steuersignale erzeugt), 

� ausgeführt, 

� und Ergebnisse gespeichert werden. 

• Es sollen hier jedoch exemplarisch nur folgende ausgewählte 

Befehle unterstützt werden: 

� Speicherzugriff mittels lw und sw 

� Die Arithmetik/Logik-Befehle add, sub, and, or 

� Vergleichs- und Sprungbefehl slt, beq und j 




• Aufgabe des Steuerwerks ist es, die Steuersignale für den 

Datenpfad der MIPS CPU zu erzeugen: 

• Dieser Datenpfad unterstützt nur die Ausführungsphase eines 

Befehls und muss erweitert werden um Komponenten zur 

Realisierung der Befehlsholphase. 




• Vollständiger Datenpfad mit separatem Befehlsspeicher und Logik 

zur Ermittlung des Folgebefehlszählerstandes: 


Anmerkung: Befehls- und 

Datenspeicher sind zur 

Vereinfachung hier getrennt, 

sie gehören nicht zur CPU. 



• In Abhängigkeit vom Befehl müssen die Steuersignale zur 

Auswahl der ALU-Operation erzeugt werden: 

� Bei arithmetisch/logischen Befehlen ist hierzu das Feld funct des R- 

Instruktionsformats zu analysieren. 

� Für lw und sw wird die ALU zur Berechnung der Datenadresse eingesetzt. 

� Für den Befehl beq muss die ALU subtrahieren. 




• Folgende Tabelle zeigt die erforderliche Ansteuerung der ALU in 

Abhängigkeit vom funct-Feld und dem zusätzlichen Steuersignal 

ALUOp, das aus dem Opcode abgeleitet werden muss: 

• Realisierung durch eine einfache zweistufige Logik: 

� ALU-Steuereingang = f(ALUOp,funct) 


X = 

don't 

care 



• Die Hauptsteuereinheit muss die Befehle dekodieren, die 

entweder im R-Format 

• oder im I-Format vorliegen: 

• Die Steuersignale zur Ansteuerung des Registersatzes können 

somit unmittelbar dem Instruktionswort entnommen werden, je 

nach Instruktionsformat ist das Zielregister jedoch entweder an 

Bitpositionen 15...11 oder 20...16 kodiert. 

� Zusätzlicher Multiplexer und Steuersignal RegDst sind nötig. 







• Alle sieben Steuersignale werden durch Opcode festgelegt: 



• Datenpfad mit Steuereinheit: 





• Die Steuerleitung PCSrc lässt dich nicht direkt aus dem Opcode 

ableiten, sie wird gesetzt bei Befehl beq und aktivem Null Ausgang 

der ALU. 

• Ablauf eines Befehls im R-Format wie z.B. add r1,r2,r3 erfolgt 

in einem Taktzyklus: 

1. Befehl wird geholt und Befehlszähler um 4 erhöht. 

2. Register r2 und r3 werden ausgelesen. 

3. ALU verarbeitet Daten in Abhängigkeit vom Inhalt des funct-Feldes (Bit 5 

bis 0) des Instruktionswortes. 

4. Ergebnis wird in Zielregister r1 geschrieben. 




• Ablauf eines Befehls im I-Format wie z.B. lw r1,disp(r2) 

erfolgt ebenso in einem Taktzyklus: 

1. Befehl wird geholt und Befehlszähler um 4 erhöht. 

2. Register r2 wird ausgelesen. 

3. ALU berechnet Summe aus Offset disp (den Bits 15 bis 0 des 

Instruktionswortes entnommen und vorzeichenrichtig erweitert auf 32 Bit) 

und dem Inhalt von r2. 

4. Die Summe am Ausgang der ALU dient zur Adressierung des 

Datenspeichers. 

5. Gelesenes Datum wird in Zielregister r1 geschrieben. 

• Anmerkung: Hier wird idealisiert angenommen, dass der Zugriff 

auf den Speicher keine zusätzliche Zeit benötigt. 

� z.B. realisierbar durch schnellen Cache-Speicher oder geringen CPU-Takt. 




• Ablauf des bedingten Sprungbefehls beq r1,r2,offset in 

einem Taktzyklus: 

1. Befehl wird geholt und um 4 erhöhter Befehlszählerstand ermittelt. 

2. Register r1 und r2 werden ausgelesen. 

3. ALU subtrahiert r1 und r2; gleichzeitig wird offset (den Bits 15 bis 0 des 

Instruktionswortes entnommen, vorzeichenrichtig erweitert auf 32 Bit und 

um 2 Bits nach links geschoben) zum neuen Befehlszählerstand addiert. 

4. Der Null Ausgang der ALU entscheidet, ob nun der in 1) ermittelte 

Befehlszählerstand (Bedingung nicht erfüllt, Null = 0) oder der in 3) 

ermittelte Befehlszählerstand verwendet wird (Bedingung ist erfüllt, Null = 

1). 

5. Das Ergebnis wird im Befehlsregister gespeichert. 




• Zur Realisierung des unbedingten Sprungbefehls j ist das 

Steuerwerk noch geringfügig zu erweitern. 

• Hier wird das dritte Instruktionsformat, das J-Format, verwendet: 

• Erforderliche Modifikationen im Steuerwerk: 

� Die unteren 26 Bit werden um 2 Bitpositionen nach links geschoben. 

− Diese 28-Bit Adresse wird den oberen 4 Bit des um 4 erhöhten 

Befehlszählerstandes hinzugefügt. 

− Ergebnis ist neuer 32-Bit Befehlszählerstand. 

� Ein weiterer Multiplexer wird benötigt, der im Falle eines j Befehls den 

neuen Befehlszählerstand auswählt. 




• Gesamte Implementierung des Steuerwerks (englische Version): 



MIKROPROGRAMMIERUNG 



Mikroprogrammierung (1) 

• Zur Realisierung sehr großer Schaltwerke, z.B. des Steuerwerks 

eines komplexen Prozessors, weisen festverdrahtete Steuerwerke 

einige Nachteile auf: 

� Aufwendiger, fehleranfälliger Entwurf. 

� Resultierende Schaltung ist häufig unübersichtlich. 

� Schlechte Wartbarkeit: Hinzufügen einer neuen Funktion (z.B. eines neuen 

Befehls) erfordert oft einen kompletten Neuentwurf. 

• Dem steht ein wichtiger Vorteil gegenüber: 

� Sehr hohe Geschwindigkeit möglich, da alle Steuersignale sehr schnell 

erzeugt werden können. 




• Eine Alternative zum festverdrahteten Steuerwerk stellt die 

Mikroprogrammierung dar (Wilkes, 1951): 

� Idee: Ein Maschinenbefehl (zur Verdeutlichung hier auch Makrobefehl 

genannt) wird durch eine Sequenz aus Mikrobefehlen realisiert. 

� Einsatz z.B. in Steuerwerken der IBM System/360 oder VAX. 

� Jeder Mikrobefehl (bzw. Mikroinstruktion) beschreibt einige 

Mikrooperationen, die im gleichen Takt stattfinden. 

� Ein Mikroprogramm beschreibt eine Folge von Mikrobefehlen, die einen 

Mikroprogramm-Algorithmus implementieren. 

� Zeitlicher Ablauf ergibt sich aus Takt, mit dem die Mikrobefehle ausgeführt 

werden. 

� Der Mikrobefehlszähler gibt an, welcher Mikrobefehl ausgeführt wird. 

� Mikroprogramm wird im Mikroprogrammspeicher abgelegt, der je 

Speicherzeile einen Mikrobefehl enthält und typischerweise durch ein ROM 

oder PROM realisiert ist. 




� Jeder Mikrobefehl kann eine bedingte 

Verzweigung enthalten, die abhängig 

von Eingabe E(t) eine Folgeadresse 

aus dem Speicher lädt. 

� n-Bit Mikrobefehl besteht aus 

− m-Bit Adressteil, 

− k-Bit Auswahlteil, und 

− p-Bit Steuerteil 

� Adressteil legt Folgeadresse bei 

Verzweigungen fest. 

� Auswahlteil wählt eine der 2k Eingabeleitungen aus, deren Wert 

entscheiden soll, ob eine Verzweigung 

stattfindet. 

� Steuerteil enthält sämtliche p 

Steuersignale für aktuellen 

Taktzyklus. 




• Vollständiger Aufbau eines Mikroprogrammwerks: (hier für 

Mikrobefehl der Breite n = 14 Bit mit m = 5, k = 2 und p = 7) 



• Beispiel: 

� Realisierung der Steuerung 

eines bitseriell arbeitenden 

4-Bit Addierers mittels 

Mikroprogrammierung. 

� Addierer erhält die 

(Makro-)Befehle ADD oder 

SUB. 





• Einige weitere Begriffe zur Mikroprogrammierung: 

� Ein mikroprogrammierter Rechner enthält alle Mikrobefehle und 

Mikroprogramme in einem ROM. 

� In einem mikroprogrammierbaren Rechner kann der 

Benutzer die Mikroprogramme in PROM, EPROM oder RAM modifizieren 

(z.B. zur Emulation anderer CPUs). 

� Automatische Umsetzung von symbolischer Beschreibung in 

Mikroprogramme durch Mikroassembler möglich. 

� Bei horizontaler Mikroprogrammierung legen einzelne Bits des 

Mikroprogrammwortes direkt alle Steuersignale fest. 

� Bei vertikaler Mikroprogrammierung generiert ein Dekoder die 

Steuersignale aus dem Steuerteil des Mikroprogrammwortes. 



• Vorteile: 

� Hohe Skalierbarkeit 

� Gute Wartbarkeit 


� Einfache (weil reguläre) Architektur 

• Nachteil: 

� Geringe Geschwindigkeit 

• Mikroprogrammierung wird in heutigen CPUs kaum noch 

verwendet, gelegentlich aber zur Steuerung komplexer 

Instruktionen (z.B. Multiplikation, Division) eingesetzt.

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