Laboratorul 1

ALU

Unitatea aritmetico-logică, ALU, este responsabilă de execuţia instrucţiunilor. În primul rând, după cum ne şi sugerează numele, instrucţiunile aritmetice şi cele logice, dar şi celelalte categorii de instrucţiuni, în execuţia cărora intervin operaţii precum calculul unor adrese pentru instrucţiunile de acces la memorie sau pentru instrucţiunile de salt relativ. Concret, ALU primeşte operanzii unei instrucţiuni şi oferă rezultatul operaţiei specificate în codul instrucţiunii. De exemplu instrucţiunea de adunare determină în ALU adunarea celor doi operanzi de la intrare, suma acestora (rezultatul) apărând la ieşirea ALU. Un alt exemplu, instrucţiunea de salt relativ determină în ALU adunarea a două numere, valoarea contorului de program (PC) şi valoarea saltului relativ specificată în corpul instrucţiunii, rezultatul fiind noua valoare de contor de program, ce va fi încărcată în contorul de program.

Complexitatea ALU este determinată în primul rând de complexitatea operaţiilor aritmetice ale instrucţiunilor din setul de instrucţiuni, însă depinde, uneori semnificativ, şi de performanţele avute în vedere (viteză, paralelism, consum redus) ce pot modifica radical structura aleasă. La nivel funcţional, fără a fi preocupaţi de implementarea efectivă, ALU poate fi privit ca un bloc multifuncţional a cărui funcţie este selectată de codul operaţiei instrucţiunii:

always @(*) begin
    case(opcode)
    4'b0001: rezultat = operand1 + operand2;
    4'b0010: rezultat = operand1 - operand2;
    // urmeaza implementarea altor operatii
    endcase
end

Descrieți funcțional (comportamental) un ALU de 8 biți ce execută operațiile din tabelul 1.

Tabelul 1

opcode	operație	detalii
ADD	adunare
SUB	scădere	operandul 2 se scade din operandul 1
AND	ȘI logic	fiecare bit al rezultatului este ȘI logic între biții corespunzători ai operanzilor
OR	SAU logic	fiecare bit al rezultatului este SAU logic între biții corespunzători ai operanzilor
XOR	XOR logic	fiecare bit al rezultatului este SAU-EXCLUSIV logic între biții corespunzători ai operanzilor
CMP	comparație	Z și N se modifică conform tabelului 2
LOAD	transfer	operandul1 este transferat la ieșirea ALU
STORE	transfer	operandul1 este transferat la ieșirea ALU

Tabelul 1 nu conține toate instrucțiunile setului de instrucțiuni, ci numai instrucțiunile care folosesc ALU. Pentru instrucțiunile ce nu folosesc ALU implementarea execuției lor în ALU poate fi ignorată, dar rezultatul de la ieșirea ALU nu trebuie scris în vreun registru.

Rezultatul operației de comparație este semnalizat prin biții indicatori ai rezultatului:

Tabelul 2

	Z	N
operand1 > operand2	0	0
operand1 = operand2	1	0
operand1 < operand2	0	1

Biții indicatori sunt calculați pentru fiecare operație și reflectă starea rezultatului. Procesorul implementat în laborator are doi indicatori, Z și N. Dacă rezultatul este zero se activează bitul Z (zero). Dacă rezultatul este negativ se activează ieșirea N (negativ). Operația de comparație poate fi implementată ca o operație de scădere fără destinație (se salvează în procesor doar biții indicatori nu și rezultatul):

assign Z = (result == 0);
assign N = result[7]; // în complement față de 2 bitul MSB este bit de semn

RALU

Unitatea aritmetico-logică împreună cu setul de registre formează RALU (Register and ALU). În funcție de arhitectură, registrele din setul de registre pot fi speciale sau de uz general. Procesorul implementat în acest laborator are un set de 8 registre de uz general. Fiecare registru poate fi sursa oricărui operand și poate fi destinație. Setul de registre poate avea porturi distincte pentru scriere și pentru citire, precum și porturi separate pentru fiecare operand citit. Implementarea aleasă pentru acest laborator are un set de registre cu trei porturi, un port pentru citirea primului operand (raddr1, rdata1), altul pentru citirea celui de al doilea operand (raddr2, rdata2) și un port pentru scriere (waddr, wdata). Portul de scriere folosește un semnal de control, wen, ce activează scrierea numai pentru anumite instrucțiuni.