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CALCOLATORI ELETTRONICI Il livello RTL
Luca Orrù
Lezione n.4
Il livello RTL
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CALCOLATORI ELETTRONICI Il livello RTL
Sommario:
• Bus dedicati e bus condivisi
• Descrizione a livello RTL di un sistema
• Unità di controllo e unità di esecuzione
Abbiamo visto nella precedente lezione la descrizione dei moduli base a livello RTL.
Nelle prossime lezioni verrà descritto a livello RTL un particolare sistema: il
moltiplicatore binario per numeri in modulo e segno. Verrà prima descritto
l’algoritmo che consente di realizzare il prodotto e quindi sarà mostrata come
esempio la metodologia di progettazione.
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Le interconnessioni
• Le strutture d’interconnessione collegano i moduli che devono scambiarsi
informazioni
• In un sistema di calcolo le prestazioni, l’affidabilità e il costo delle
interconnessioni hanno un ruolo fondamentale
o Le prestazioni : si misurano in Byte/sec trasferiti
La connessione può essere seriale (un solo filo per trasferire i bit)
o parallela (più fili per trasferire i dati)
La connessione parallela ha prestazioni superiori in termini di
velocità ma ha anche costi maggiori rispetto alla seriale
o Affidabilità: capacità del sistema di compiere la propria missione, cioè
trasferire il dato correttamente; dipende principalmente dal tipo di
connettore usato
o Costo: legato al tipo di connessione e alla standardizzazione
Il concetto di standard e di modularità è importante. Se i sistemi sono standardizzati
allora i costruttori possono realizzare sistemi usando moduli diversi, attraverso
interconnessioni standard. Questo riduce i costi perché l’utente può scegliere quello
che gli fa più comodo.
BUS
In un sistema digitale la principale struttura d’interconnessione è il BUS. Un BUS è
in pratica un’insieme di linee/conduttori che trasferiscono le informazioni da un
elemento sorgente ad un elemento destinazione.
Si possono avere BUS di tipo:
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• Dedicato: collega in modo esclusivo due moduli (modulo sorgente e modulo
destinatario)
• Bus condiviso: collega tra loro più moduli; in questo caso collegamenti fra
elementi diversi si hanno in tempi diversi (time multiplexing); è necessario un
meccanismo (protocollo) per regolare la comunicazione. La condivisione del bus
tra più moduli si può avere anche usando la tecnica FDM (Frequency Division
Multiplexing), tecnica a divisione di frequenza.
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BUS dedicati
Cosa s’intende? Canali che vengono usati in modo specifico per trasferire i dati da
un modulo all’altro.
Supponiamo di avere 4 moduli A,B,C,D
Canale
D
C
A
la connessione completa di N moduli richiede N*(N-1) bus dedicati/linea.
Vantaggio di questa struttura: si possono fare diverse comunicazioni
contemporaneamente (quindi elevato parallelismo). Possiamo, per esempio, trasferire
dati contemporaneamente tra i moduli A e D e tra B e C. Questo significa elevato
vantaggio in termini di prestazioni. Non si hanno però vantaggi in termini di
scalabilità (o espansibilità) della struttura. Scalabile significa che posso far crescere
il sistema come complessità, mantenendo la stessa struttura d’interconnessione.
Esempio: se si aggiunge un modulo E alla struttura precedente, dobbiamo far in modo
di collegarlo a tutti gli altri moduli. Questo comporta la modifica anche degli altri
moduli, in termini per esempio di nuove porte.
Quindi.
B
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Svantaggi: sistema poco scalabile. Inoltre il numero di connessioni pari a N*(N-
1)=N^2-N cresce con il quadrato di N; quindi al crescere di N il numero di
connessioni esplode.
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BUS dedicati
A B C D
BUS
• Vantaggio: costi inferiori e scalabilità
• Svantaggio: una sola comunicazione per volta
Esiste un’unica struttura d’interconnessione. E’ evidente che se A e B stanno
comunicando (BUS occupato), nessun’altra comunicazione può avvenire. Questa
struttura rispetto alla struttura a BUS dedicato ha però costi inferiori ed è scalabile.
Infatti, se aggiungiamo un modulo, la struttura d’interconnessione non né risente (non
viene modificato alcun modulo precedente).
Naturalmente il numero dei moduli sarà limitato, in pratica non possiamo inserire
tutti i moduli che vogliamo, in quanto ci saranno le specifiche elettriche da rispettare
(max potenza assorbita). Ci saranno poi anche delle caratteristiche funzionali, in
quanto le prestazioni del sistema né risentono in termini di velocità (collo di
bottiglia). Per risolvere questo problema si potrebbe pensare di aumentare il numero
di BUS. L’utilizzo di BUS dedicati ha si il vantaggio di migliorare le prestazioni, ma
aumenta i costi.
L’uso di strutture d’interconnessione condivise e standardizzate è stato cruciale
nell’evoluzione dei moderni sistemi di calcolo. La realizzazione di sistemi modulari
configurabili a piacere a partire da elementi disponibili sul mercato consente di
ridurre i costi dei sistemi completi.
Descrizione di un sistema a livello RTL
Vediamo ora come descrivere la struttura di un sistema a livello RTL.
La descrizione a livello RTL si divide in due tipi:
1. la struttura cioè come i componenti sono interconnessi
2. il comportamento, ovvero il programma
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La descrizione grafica definisce la struttura di un sistema a livello RTL, mentre la
descrizione del comportamento avviene mediante un linguaggio specifico
Esempio di struttura (descrizione strutturale)
Accanto alla descrizione strutturale c’è la descrizione comportamentale.
Linguaggio RTL: l’istruzione base RTL è la seguente
1. Z = f ( X1
, X 2,
− − −Xn)
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Unità
funzionale
Sommatore oppure blocco OR,
AND, decodificatore etc
BUS
R1 R2
Z è un registro dove viene immagazzinato il risultato fornita dalla funzione f.
Analogamente X1,X2,……Xn sono dei registri o celle di memoria.
L’espressione 1 ci dice: trasferisci i dati contenuti nelle celle X1,X2,…Xn, nella
cella/registro Z, dove i dati contenuti in X1, X2, Xn sono elaborati tramite la funzione
f.
In sintesi: calcola la funzione f con i dati contenuti nei registri X1, X2, …Xn e
trasferisci il risultato nel registro Z.
R3
Bus dedicati
R1,R2,R3 sono dei
registri/moduli
paralleli che
immagazzinano
delle parole
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