CPU Entwurf mit VHDL (CPU) - Exam

Aufgabe 1)

Syntax und Struktur von VHDLStelle Dir vor, Du sollst eine digitale Uhr implementieren, die Sekunden, Minuten und Stunden zählt. Diese Uhr soll viele Elemente beinhalten, wie ein zählendes Register, ein MUX (Multiplexer) zur Auswahl der richtigen Eingänge, und Kontrolllogik zur Handhabung von Überläufen (z. B. beim Übergang von 59 Sekunden zu 0 Sekunden und einer Erhöhung der Minutenanzahl). Dazu wird VHDL verwendet.

• Entity: Definiert die Schnittstelle einer VHDL-Komponente
• Architecture: Beschreibt das Verhalten und die Struktur der Komponente
• Jede VHDL-Datei beginnt mit der library- und use-Anweisung
• Signale: Werden zur Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen einer Architektur verwendet
• Prozesse: Blöcke, die sequentielle Anweisungen enthalten
• Klauseln: VHDL verwendet Klauseln wie if und case für Kontrollstrukturen

a)

In dieser Aufgabe sollst Du eine Entity für die digitale Uhr definieren. Diese Entity muss Eingänge und Ausgänge für Stunden, Minuten, und Sekunden haben. Zudem sind Steuerungseingänge (z.B. Reset und Clock) erforderlich. Schreibe den VHDL-Code für diese Entity und erkläre kurz die Bedeutung der einzelnen Signale in Deiner Definition.

entity DigitalClock is    port (        clk  : in std_logic;        reset : in std_logic;        seconds : out integer range 0 to 59;        minutes : out integer range 0 to 59;        hours : out integer range 0 to 23    );end entity DigitalClock;

Lösung:

Um die Entity für die digitale Uhr zu definieren und die Eingänge und Ausgänge zu spezifizieren, ergänzen wir den obigen VHDL-Code entsprechend. Die Definition der Signale in der Entity ist ein zentraler Teil der VHDL-Beschreibung, da sie die Schnittstelle der Komponente definiert. Hier ist der vollständige VHDL-Code für die Entity DigitalClock:

entity DigitalClock is    port (         clk     : in std_logic;                  -- Takteingang zur Synchronisation der Uhr        reset   : in std_logic;                  -- Eingangssignal zum Zurücksetzen der Uhr        seconds : out integer range 0 to 59;    -- Ausgangssignal für die Sekunden (0-59)        minutes : out integer range 0 to 59;    -- Ausgangssignal für die Minuten (0-59)        hours   : out integer range 0 to 23     -- Ausgangssignal für die Stunden (0-23)    );end entity DigitalClock;

Erklärung der einzelnen Signale:

• clk (clock): Dieses Eingangssignal sorgt für die Taktung der digitalen Uhr. Es synchronisiert die Zählvorgänge für Sekunden, Minuten und Stunden.
• reset: Dieses Eingangssignal wird verwendet, um die Uhr zurückzusetzen. Wenn dieses Signal aktiv ist, sollten die Sekunden, Minuten und Stunden auf ihre Ausgangswerte zurückgesetzt werden.
• seconds: Dies ist ein Ausgangssignal, das den aktuellen Sekundenwert der Uhr anzeigt. Der Wertebereich liegt zwischen 0 und 59.
• minutes: Dies ist ein Ausgangssignal, das den aktuellen Minutenwert der Uhr anzeigt. Der Wertebereich liegt ebenfalls zwischen 0 und 59.
• hours: Dies ist ein Ausgangssignal, das den aktuellen Stundenwert der Uhr anzeigt. Der Wertebereich liegt zwischen 0 und 23.

b)

Beschreibe nun die Architecture für die zuvor definierte Entity. Diese Architektur muss ein Signal für Sekunden, Minuten, und Stunden verwenden. Die Zählprozesse sollen sich beim Eintreffen eines Clock-Signals aktualisieren und bei Bedarf Überläufe handhaben. Implementiere einen VHDL-Prozess, der die Sekunden zählt und bei Überlauf die Minuten erhöht.

architecture Behavioral of DigitalClock is    signal sec_counter : integer range 0 to 59 := 0;    signal min_counter : integer range 0 to 59 := 0;    signal hr_counter : integer range 0 to 23 := 0;begin    process(clk, reset)    begin        if reset = '1' then            sec_counter <= 0;            min_counter <= 0;            hr_counter <= 0;        elsif rising_edge(clk) then            if sec_counter = 59 then                sec_counter <= 0;                if min_counter = 59 then                    min_counter <= 0;                    if hr_counter = 23 then                        hr_counter <= 0;                    else                        hr_counter <= hr_counter + 1;                    end if;                else                    min_counter <= min_counter + 1;                end if;            else                sec_counter <= sec_counter + 1;            end if;        end if;    end process;end Behavioral;

Lösung:

Nachdem wir nun die Entity definiert haben, beschreiben wir die Architecture für die digitale Uhr. Die von uns gewählte Architektur Behavioral basiert auf der Beschreibung des Verhaltens der Uhr. Diese Architektur enthält Signale zur Zählung von Sekunden, Minuten und Stunden sowie Prozesse zur Handhabung der Zählvorgänge und Überläufe.

architecture Behavioral of DigitalClock is    signal sec_counter : integer range 0 to 59 := 0;    signal min_counter : integer range 0 to 59 := 0;    signal hr_counter : integer range 0 to 23 := 0;begin    process(clk, reset)    begin        if reset = '1' then            sec_counter <= 0;            min_counter <= 0;            hr_counter <= 0;        elsif rising_edge(clk) then            if sec_counter = 59 then                sec_counter <= 0;                if min_counter = 59 then                    min_counter <= 0;                    if hr_counter = 23 then                        hr_counter <= 0;                    else                        hr_counter <= hr_counter + 1;                    end if;                else                    min_counter <= min_counter + 1;                end if;            else                sec_counter <= sec_counter + 1;            end if;        end if;    end process;    seconds <= sec_counter;    minutes <= min_counter;    hours <= hr_counter;end Behavioral;

Erklärung des Prozesses:

• Reset: Wenn das Reset-Signal auf '1' gesetzt ist, werden alle Zähler (Sekunden, Minuten und Stunden) auf 0 zurückgesetzt.
• Aufsteigende Taktflanke (rising_edge): Bei jeder aufsteigenden Flanke des Clock-Signals wird der Prozess aktiviert. Innerhalb dieses Prozesses findet die Zählung und die Handhabung von Überläufen statt.
• Sekundenüberlauf: Wenn der Wert des Sekundenzählers 59 erreicht, wird er auf 0 zurückgesetzt und der Minutenzähler um 1 erhöht.
• Minutenüberlauf: Während des Sekundenzählerüberlaufs, wenn der Minutenzähler 59 erreicht, wird er auf 0 zurückgesetzt und der Stundenzähler um 1 erhöht.
• Stundenüberlauf: Während des Minutenüberlaufs, wenn der Stundenzähler 23 erreicht, wird er auf 0 zurückgesetzt.
• Falls keiner der Zähler am Überlaufpunkt ist, wird der jeweilige Zähler einfach um 1 erhöht (z.B. sec_counter += 1).
• Schließlich werden die Ausgangssignale für Sekunden, Minuten und Stunden mit den jeweiligen Zählern (sec_counter, min_counter, hr_counter) verbunden, sodass diese die aktuellen Werte ausgeben.

Aufgabe 2)

Du bist dabei eine einfache CPU mit VHDL zu entwerfen, die sowohl kombinatorische als auch sequentielle Schaltungen beinhaltet. Der Fokus liegt auf der Unterscheidung dieser beiden Schaltungsarten und ihrer Umsetzung in VHDL. Ein wesentlicher Bestandteil dieser CPU ist ein Addierer (kombinatorisch) sowie ein Register (sequentiell). Beachte, dass du für die korrekte Funktion deiner CPU die Theorie hinter diesen Schaltungen verstehen und anwenden musst.

a)

Teilaufgabe A: Implementiere in VHDL einen 4-Bit Ripple Carry Addierer. Ein Ripple Carry Addierer besteht aus einer Kette von Volladdierern (Full Adders), wobei der Übertrag (Carry) des einen Addierers in den nächsten Addierer einfließt. Ein Volladdierer hat drei Eingänge (A, B, Carry-In) und zwei Ausgänge (Summe, Carry-Out).

Schreibe den VHDL-Code für den 4-Bit Ripple Carry Addierer und erkläre kurz, inwiefern dieser Addierer eine kombinatorische Schaltung ist. Stelle sicher, dass dein Code gut kommentiert ist.

entity ripple_adder_4bit is  Port (    A : in  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);    B : in  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);    Carry_in : in  STD_LOGIC;     Sum : out  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);    Carry_out : out  STD_LOGIC  );end ripple_adder_4bit;architecture Behavioral of ripple_adder_4bit is  signal C : STD_LOGIC_VECTOR (4 downto 0);  signal S : STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);begin  C(0) <= Carry_in;  process(A, B)  begin    for i in 0 to 3 loop      S(i) <= A(i) xor B(i) xor C(i);      C(i+1) <= (A(i) and B(i)) or (C(i) and (A(i) xor B(i)));    end loop;    Sum <= S;    Carry_out <= C(4);  end process;end Behavioral;

Lösung:

Teilaufgabe A:

Im Folgenden ist der VHDL-Code für einen 4-Bit Ripple Carry Addierer aufgeführt. Ein Ripple Carry Addierer ist ein Beispiel für eine kombinatorische Schaltung, da seine Ausgänge (Summe und Carry-Out) ausschließlich durch die Eingänge (A, B, Carry-In) und die unmittelbare Kombination dieser bestimmt werden und kein Takt oder Speicherelemente verwendet werden.

entity ripple_adder_4bit is  Port (    A : in  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);    B : in  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);    Carry_in : in  STD_LOGIC;    Sum : out  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);    Carry_out : out  STD_LOGIC  );end ripple_adder_4bit;architecture Behavioral of ripple_adder_4bit is  signal C : STD_LOGIC_VECTOR (4 downto 0);  signal S : STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);begin  C(0) <= Carry_in;  process(A, B)  begin    for i in 0 to 3 loop      S(i) <= A(i) xor B(i) xor C(i);      C(i+1) <= (A(i) and B(i)) or (C(i) and (A(i) xor B(i)));    end loop;    Sum <= S;    Carry_out <= C(4);  end process;end Behavioral;

• Kombinatorische Schaltung: Diese Schaltung ist kombinatorisch, weil die Ausgänge direkt aus den aktuellen Eingängen und deren logischen Verknüpfungen berechnet werden.
• Es gibt keinen Takteingang oder Zustands-Speicherelemente, die die Ausgabe beeinflussen würden.
• Die Verzögerung in der Schaltung ist ausschließlich auf die Verarbeitungszeit der Logikgatter zurückzuführen.

b)

Teilaufgabe B: Entwirf und beschreibe einen einfachen 4-Bit Register in VHDL, welcher der Speicherort für den Zustand in deinem sequentiellen System ist. Dieses Register soll durch ein Taktsignal gesteuert werden, damit es Werte bei jedem ansteigenden Taktflanken-Übergang speichern kann.

Schreibe den VHDL-Code für das Register und gib an, wie es in ein sequentielles System passt und welche Vorteile diese Art von Schaltung für den Zustandsspeicher bietet.

entity register_4bit is  Port (    clk : in  STD_LOGIC;    D : in  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);    Q : out  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)  );end register_4bit;architecture Behavioral of register_4bit is  signal Q_int : STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);begin  process(clk)  begin    if rising_edge(clk) then      Q_int <= D;    end if;  end process;  Q <= Q_int;end Behavioral;

Lösung:

Teilaufgabe B:

Im Folgenden ist der VHDL-Code für ein einfaches 4-Bit-Register aufgeführt. Ein Register ist ein Beispiel für eine sequentielle Schaltung, da seine Ausgabe von einem Taktsignal abhängig ist. Das Register speichert den Zustand bei jedem ansteigenden Übergang des Taktsignals.

entity register_4bit is  Port (    clk : in  STD_LOGIC;    D : in  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);    Q : out  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)  );end register_4bit;architecture Behavioral of register_4bit is  signal Q_int : STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);begin  process(clk)  begin    if rising_edge(clk) then      Q_int <= D;    end if;  end process;  Q <= Q_int;end Behavioral;

• Sequentielle Schaltung: Diese Schaltung ist sequentiell, weil sie den Zustand bei jedem ansteigenden Taktflanken-Übergang aktualisiert.
• Vorteile:
  • Zustandsspeicher: Registers speichern den Zustand eines Systems und ermöglichen es, synchronisierte Prozesse durchzuführen.
  • Synchronisation: Durch das Taktsignal wird sichergestellt, dass alle Zustandsänderungen synchron stattfinden, was eindeutigere und vorhersagbarere Verhaltensweisen ermöglicht.
  • Stabilität: Sequentielle Schaltungen erhöhen die Stabilität des Gesamtsystems, da Zustände bewahrt und auf Basis des Taktsignals verarbeitet werden.

Aufgabe 3)

In der Vorlesung haben wir die beiden Hauptarchitekturen für CPU-Design besprochen: die Von-Neumann-Architektur und die Harvard-Architektur. Zu den wichtigsten Unterschieden zwischen diesen Architekturen gehören:

• Von-Neumann-Architektur:
• Ein einzelner Speicher für Programme und Daten.
• Potential für Konflikte zwischen Daten- und Befehlszugriffen.
• Bekannt als Single von Neumann bottleneck.
• Harvard-Architektur:
• Getrennte Speicher für Programme und Daten.
• Erlaubt parallelen Zugriff auf Programm- und Datenspeicher, was die Datenrate erhöht.
• Erfordert ein komplexeres Design und mehr Speicherressourcen.

a)

(a) Zeichne ein Blockdiagramm einer CPU, die die Von-Neumann-Architektur verwendet, und erkläre die Hauptkomponenten und deren Aufgaben. Stelle sicher, dass das Diagramm folgende Elemente enthält:

• ALU (Arithmetic Logic Unit)
• PC (Program Counter)
• Speicher
• Bus-System

Beschreibe die Nachteile dieser Architektur im Kontext moderner Verarbeitungsgeschwindigkeiten und Anwendungsanforderungen.

Lösung:

Um ein Blockdiagramm einer CPU mit von Neumann-Architektur zu zeichnen, sollten wir zunächst die wichtigsten Komponenten identifizieren und deren Aufgaben verstehen:

• ALU (Arithmetic Logic Unit): Führt arithmetische und logische Operationen durch.
• PC (Program Counter): Hält die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls.
• Speicher: Ein gemeinsamer Speicher, der sowohl Programme als auch Daten enthält.
• Bus-System: Ein Kommunikationssysstem, das die verschiedenen Komponenten der CPU verbindet und den Datenfluss koordiniert.

Hier ist ein einfaches Blockdiagramm der von Neumann-Architektur:

Die Hauptelemente im Diagramm:

• ALU: Diese Einheit führt Berechnungen und logische Vergleiche durch. Sie ist ein zentraler Bestandteil des Prozessors.
• PC: Der Program Counter speichert die Adresse des folgenden Befehls, der ausgeführt werden soll. Er wird nach jedem Befehlszyklus inkrementiert oder entsprechend den Anweisungen geändert.
• Speicher: In der von Neumann-Architektur gibt es einen einzelnen Speicher, der sowohl Programmcode als auch Daten speichert. Dies vereinfacht das Design, kann aber zu Engpässen führen.
• Bus-System: Das Bus-System ermöglicht die Kommunikation zwischen der ALU, PC und dem Speicher. Es handelt sich meist um einen Adressbus, Datenbus und Steuerbus.

Nachteile der von Neumann-Architektur:

• Single von Neumann Bottleneck: Da sowohl Befehle als auch Daten über denselben Bus übertragen werden, kann es zu Verzögerungen kommen. Diese Engpässe beschränken die Verarbeitungsgeschwindigkeit erheblich.
• Konflikte zwischen Daten- und Befehlszugriffen: In modernen Anwendungen, die eine hohe Rechenleistung erfordern, kann der gleichzeitige Zugriff auf Programme und Daten ineffizient sein, da die CPU oft warten muss, bis der Speicherzugriff abgeschlossen ist.
• Verarbeitungsanforderungen: Bei modernen komplexen Anwendungen, insbesondere bei Echtzeitanforderungen und Multimediaanwendungen, ist die von Neumann-Architektur weniger geeignet, da sie nicht die nötige Geschwindigkeit und Effizienz bieten kann.

Zusammengefasst ist die von Neumann-Architektur einfach und kosteneffizient, aber aufgrund ihres Single-Bus-Designs und ihrer gemeinsamen Speicherstruktur stößt sie in modernen Hochgeschwindigkeitsverarbeitungsumgebungen an ihre Grenzen.

b)

(b) Angenommen, Du sollst ein CPU-System basierend auf der Harvard-Architektur entwerfen. Zeichne ein Blockdiagramm und erläutere die Unterschiede gegenüber der Von-Neumann-Architektur. Gehe dabei besonders darauf ein, wie die getrennten Speicher den Zugriff auf Instruktionen und Daten parallelisieren.

Berechne die theoretische Maximierung der Datenrate, wenn der Befehlsspeicher mit einer Bandbreite von 150 MB/s und der Datenspeicher mit einer Bandbreite von 200 MB/s betrieben wird. Vergleiche diese theoretischen Werte mit einem Von-Neumann-System, das mit einer Speicherbandbreite von insgesamt 250 MB/s operiert.

Hinweis: Betrachte beide Systeme unter der Annahme, dass 50% der Speicherzugriffe auf Daten und 50% auf Befehle erfolgen.

Lösung:

Um ein CPU-System basierend auf der Harvard-Architektur zu entwerfen, sind die folgenden Komponenten entscheidend:

• ALU (Arithmetic Logic Unit): Führt arithmetische und logische Operationen durch.
• PC (Program Counter): Hält die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls.
• Befehlsspeicher: Speichert ausschließlich den Programmcode.
• Datenspeicher: Speichert ausschließlich Daten.
• Bus-System: Verbindet die einzelnen Komponenten und ermöglicht den Datentransfer.

Hier ist ein einfaches Blockdiagramm der Harvard-Architektur:

Die Hauptelemente im Diagramm:

• ALU: Führt Berechnungen und logische Vergleiche durch.
• PC: Der Program Counter speichert die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls. Er wird nach jedem Befehlszyklus inkrementiert oder entsprechend der Anweisungen geändert.
• Befehlsspeicher: Speichert nur den Programmcode. Hierauf kann parallel zum Datenspeicher zugegriffen werden.
• Datenspeicher: Speichert nur Daten und ermöglicht parallelen Zugriff auf den Befehlsspeicher.
• Bus-System: Verbindet alle Komponenten und sorgt für Kommunikation zwischen der ALU, dem PC und den Speichern. Es gibt separate Daten- und Adressbusse für Befehle und Daten.

Unterschiede zur Von-Neumann-Architektur:

• Die Harvard-Architektur nutzt getrennte Speicher für Programmcode und Daten, was parallelen Zugriff erlaubt.
• Die Von-Neumann-Architektur hat einen gemeinsamen Speicher für Programme und Daten, was zu Konflikten zwischen Daten- und Befehlszugriffen führen kann (bekannt als Von-Neumann-Engpass).

Paralleler Zugriff auf Instruktionen und Daten:

• In der Harvard-Architektur können die CPU gleichzeitig auf den Befehlsspeicher und den Datenspeicher zugreifen. Dies erhöht die Effizienz und Datenrate.
• In der Von-Neumann-Architektur können nicht gleichzeitig sowohl Daten als auch Befehle abgerufen werden, was zu potenziellen Engpässen führt.

Berechnung der theoretischen Maximierung der Datenrate:

• Gegeben:
  • Befehlsspeicher-Bandbreite = 150 MB/s
  • Datenspeicher-Bandbreite = 200 MB/s
• Harvard-Architektur:
  • Gesamtbandbreite = 150 MB/s + 200 MB/s = 350 MB/s
• Von-Neumann-Architektur:
  • Gesamtbandbreite = 250 MB/s (Ein gemeinsamer Speicher für Befehle und Daten)
• Angenommen, dass 50% der Speicherzugriffe auf Daten und 50% auf Befehle entfallen:

• Von-Neumann-Architektur:
  • Datenrate pro Speicherzugriff = \( \frac{250 \text{ MB/s}}{2} = 125 \text{ MB/s} \)
• Harvard-Architektur:
  • Datenrate für Befehlszugriffe = 150 MB/s
  • Datenrate für Datenzugriffe = 200 MB/s

Die Harvard-Architektur ermöglicht effektivere Nutzung der Gesamtbandbreite durch parallele Zugriffe auf Befehle und Daten. Allerdings ist das Design komplexer und erfordert mehr Speicherressourcen im Vergleich zur Von-Neumann-Architektur.

Aufgabe 4)

Du arbeitest an der Implementierung eines einfachen Pipeline-Prozessors mit fünf Stufen: Fetch, Decode, Execute, Memory und Write-back. Während der Entwurfsphase stößt Du auf verschiedene Probleme wie Data-Hazards, Control-Hazards und das Problem der Stalls. Die folgenden Übungen befassen sich mit diesen Themen und deren Lösung in VHDL.

a)

Beschreibe die Rolle jeder Pipeline-Stufe (Fetch, Decode, Execute, Memory und Write-back) in einem Pipeline-Prozessor und erkläre, wie Pipeline-Register zur Speicherung von Zwischenständen zwischen den Stufen verwendet werden.

Lösung:

• Fetch (Abholen): In dieser Pipeline-Stufe wird der nächste Maschinenbefehl aus dem Speicher (z.B. RAM) geladen. Die Adresse des nächsten Befehls wird durch den Programmzähler (Program Counter, PC) bestimmt. Das Pipeline-Register zwischen Fetch und Decode speichert den geladenen Befehl, sodass er in der nächsten Stufe dekodiert werden kann.
• Decode (Dekodieren): In dieser Stufe wird der geladene Befehl analysiert, um herauszufinden, welche Art von Operation er ausführen soll. Die Operanden-Adressen werden identifiziert und aus den Registern geladen. Das Pipeline-Register zwischen Decode und Execute speichert den dekodierten Befehl und die Operanden, damit sie in der nächsten Stufe verwendet werden können.
• Execute (Ausführen): In dieser Stufe wird die eigentliche Operation des Befehls ausgeführt, wie z.B. eine arithmetische Berechnung oder eine logische Operation. Das Ergebnis der Operation wird in einem Pipeline-Register zwischen Execute und Memory gespeichert.
• Memory (Speicher): In dieser Stufe werden Operationen ausgeführt, die auf Speicher zugreifen, wie z.B. das Laden von Daten aus dem Speicher oder das Schreiben von Daten in den Speicher. Das Pipeline-Register zwischen Memory und Write-back speichert das Ergebnis dieser Speicheroperationen, falls vorhanden.
• Write-back (Rückschreiben): In der letzten Pipeline-Stufe wird das Ergebnis der zuvor ausgeführten Operation in das entsprechende Register zurückgeschrieben. Dies schließt die Ausführung des Befehls ab.

• Pipeline-Register: Pipeline-Register sind spezielle Register, die zwischen den einzelnen Pipeline-Stufen platziert sind. Sie dienen dazu, Zwischenstände und Daten von einer Stufe zur nächsten zu übertragen. Dadurch wird gewährleistet, dass jede Stufe unabhängig von den anderen arbeiten kann und dass keine Daten während der Pipeline-Verarbeitung verloren gehen. Jedes Pipeline-Register speichert typischerweise den Befehl, die Operanden, Zwischenresultate und Statusinformationen, die notwendig sind, um die Verarbeitung korrekt fortzuführen.

b)

Gegeben sei folgender VHDL-Code-Ausschnitt für die Decode-Phase einer Pipeline. Analysiere den VHDL-Code und beschreibe, welche Forwarding/Bypass-Techniken angewandt werden, um Data-Hazards zu vermeiden.

process (clk)begin    if rising_edge(clk) then        ID/EX.rs1 <= IF/ID.instruction(19 downto 15);        ID/EX.rs2 <= IF/ID.instruction(24 downto 20);        if EX/MEM.rd = ID/EX.rs1 then            ID/EX.A <= EX/MEM.result;        else            ID/EX.A <= RegFile(ID/EX.rs1);        end if;        -- ähnliche Logik für rs2    end if;end process;

Lösung:

• Analyse des VHDL-Code-Ausschnitts: Der gegebene VHDL-Code beschreibt einen Abschnitt der Decode-Phase einer Pipeline, in dem eine Forwarding/Bypass-Technik angewendet wird, um Data-Hazards zu vermeiden. Data-Hazards entstehen, wenn eine Pipeline-Phase auf Daten zugreifen muss, die von einer anderen Phase produziert, aber noch nicht geschrieben worden sind.
• Forwarding/Bypass-Techniken: Im Code-Ausschnitt wird das Forwarding genutzt, um direkte Abhängigkeiten zwischen aufeinanderfolgenden Befehlen zu lösen. Dies bedeutet, dass anstelle des Wartens auf das Speichern von Werten in das Registerfile, die Daten direkt von späteren Pipeline-Stufen entnommen werden, um sie in früheren Stufen zu verwenden. Dies reduziert die Anzahl der notwendigen Stalls und erhöht die Effizienz der Pipeline.

• Konkret angewandte Forwarding-Logik:
  • Im VHDL-Code wird überprüft, ob die Zieladresse des vorherigen Befehls (EX/MEM.rd) mit der Quelladresse des aktuellen Befehls (ID/EX.rs1) übereinstimmt:

  • if EX/MEM.rd = ID/EX.rs1 then ID/EX.A <= EX/MEM.result; else ID/EX.A <= RegFile(ID/EX.rs1); end if;

    Wenn dies der Fall ist, wird der berechnete Wert (EX/MEM.result) direkt in die Decoder-Stufe weitergeleitet (ID/EX.A <= EX/MEM.result;).
  • Falls es keine Übereinstimmung gibt, wird der Wert wie üblich aus dem Registerfile geladen (ID/EX.A <= RegFile(ID/EX.rs1);).

• Ähnliche Logik für rs2: Die Forwarding-Logik wird nicht nur für rs1 sondern auch für rs2 angewandt, indem eine analoge Überprüfung und Weiterleitung implementiert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Operanden eines Befehls immer die aktuellen und korrekten Werte verwenden.

• Zusammenfassung: Diese Technik stellt sicher, dass Datenabhängigkeiten, die zu Data-Hazards führen könnten, vermieden werden. Indem Ergebnisse direkt innerhalb der Pipeline weitergeleitet werden, wird die Wartezeit verringert und die Ausführungsrate verbessert. Diese Art der Hazard-Auflösung ist eine gängige Praxis in modernen Pipeline-Prozessoren.

c)

Angenommen, eine Befehlsfolge führt zu einem Control-Hazard. Beschreibe detailliert, wie Branch-Prediction und Techniken wie Flushing implementiert werden können, um Control-Hazards zu minimieren. Verwende relevante mathematische Formeln oder Gleichungen, um die Wahrscheinlichkeiten eines korrekten Branch-Predictions zu berechnen. Zum Beispiel, wenn die Branch-Prediction-Genauigkeit 90% beträgt und in einem Programm 1000 Branch-Instruktionen auftreten, berechne die erwartete Anzahl der richtigen und falschen Vorhersagen.

Lösung:

• Control-Hazards: Control-Hazards treten auf, wenn die Pipeline aufgrund von Verzweigungsbefehlen (Branch Instructions) nicht weiß, wie sie weitermachen soll. Diese Unsicherheit kann zu einer ineffizienten Ausnutzung der Pipeline führen.
• Branch-Prediction: Branch-Prediction ist eine Technik, die verwendet wird, um Control-Hazards zu minimieren, indem vorhergesagt wird, welchen Weg die Verzweigung nehmen wird (z.B. ob ein Sprung durchgeführt wird oder nicht). Eine häufige Form der Branch-Prediction ist das Verwenden historischer Daten, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern.
• Flushing: Flushing bedeutet, dass die Pipeline von falschen Vorhersagen gereinigt wird. Wenn eine falsche Vorhersage erkannt wurde, werden die befallenen Pipeline-Stufen entleert (geflushed), wodurch z.B. NOPs (No Operation) in die Pipeline gesetzt werden, bis die richtige Richtung bekannt ist.

• Implementierung von Branch-Prediction und Flushing:
  • Branch-Prediction-Genauigkeit: Gegeben sei eine Branch-Prediction-Genauigkeit von 90% und ein Programm mit 1000 Branch-Instruktionen. Wir können die erwartete Anzahl richtiger und falscher Vorhersagen wie folgt berechnen:
    • Formel für die korrekte Vorhersagen: Die Anzahl der korrekten Vorhersagen \(korrekt\) ist gegeben durch: \[ \text{{korrekt}} = \text{{Anzahl der Branch-Instruktionen}} \times \text{{Genauigkeit der Vorhersage}} \] \[ \text{{korrekt}} = 1000 \times 0.9 = 900 \text{{richtige Vorhersagen}} \]
    • Formel für die falschen Vorhersagen: Die Anzahl der falschen Vorhersagen \(falsch\) ist gegeben durch: \[ \text{{falsch}} = \text{{Anzahl der Branch-Instruktionen}} - \text{{Anzahl der korrekten Vorhersagen}} \] \[ \text{{falsch}} = 1000 - 900 = 100 \text{{falsche Vorhersagen}} \]
  • Algorithmus für die Implementierung von Branch-Prediction:

     process (clk) begin     if rising_edge(clk) then         if BranchDetected then             if BranchPredictor.predict = taken then                 -- Vorhergesagter Branch ist richtig                 -- Weiterführung der Operationen             else                 -- Falsche Vorhersage -> Flushing der Pipeline                 -- Einfügen von NOPs in die betroffenen Stufen             end if;         end if;     end if; end process; 

  • Pipeline-Flushing-Mechanismus:

     process (clk) begin     if rising_edge(clk) then         if FlushingRequired then             -- Einfügen von NOPs in die Pipeline-Stufen             Fetch <= NOP;             Decode <= NOP;             Execute <= NOP;             Memory <= NOP;             Writeback <= NOP;         end if;     end if; end process; 

• Zusammenfassung: Die Implementierung von Branch-Prediction und Flushing ist von entscheidender Bedeutung, um Control-Hazards zu minimieren und die Effizienz eines Pipeline-Prozessors zu maximieren. Mit einer Branch-Prediction-Genauigkeit von 90% und 1000 Branch-Instruktionen führen zu 900 richtigen und 100 falschen Vorhersagen, was zeigt, wie wichtig eine hohe Vorhersagegenauigkeit ist.