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7/27/2019 cont.4.ps
1/9
P I P E L I N E D E S I G N
D A T A P A T H A N D
C O N T R O L S Y N T H E S I S
c
G i o v a n n i D e M i c h e l i
S t a n f o r d U n i v e r s i t y
O u t l i n e
c
G D M
S y n t h e s i s o f p i p e l i n e d c i r c u i t s :
{S c h e d u l i n g .
{B i n d i n g .
D a t a - p a t h s y n t h e s i s .
C o n t r o l - u n i t s y n t h e s i s .
H i g h - l e v e l s y n t h e s i s
o f p i p e l i n e d c i r c u i t s
c
G D M
P i p e l i n e c i r c u i t s :
{C o n c u r r e n t e x e c u t i o n o f o p e r a t i o n s
o n d i e r e n t d a t a s e t s .
{I n c r e a s e t h r o u g h p u t
:
I / O d a t a r a t e .
{P r e s e r v e l a t e n c y
.
A p p l i c a b l e t o :
{G e n e r a l p u r p o s e p r o c e s s o r s .
{D i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r s .
E x a m p l e
c
G D M
* * * * +
-
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2/9
S y n t h e s i s o f p i p e l i n e d c i r c u i t s
c
G D M
D S P a p p l i c a t i o n s :
{M a i n l y d a t a - p a t h p i p e l i n i n g .
{F e w e x c e p t i o n s / i n t e r r u p t s .
{M a t u r e a r e a .
M i c r o p r o c e s s o r s :
{A d v a n c e d f e a t u r e s :
S t a l l s , u s h , b y p a s s , h a z a r d a v o i d a n c e .
{S y n t h e s i s t o o l s n o t r e a d y y e t .
I s s u e s i n s y n t h e s i s o f p i p e l i n e d c i r c u i t s
c
G D M
P a r t i t i o n i n g :
{P i p e - s t a g e f o r m a t i o n .
S c h e d u l i n g :
{S o u r c e v e r t e x o f t h e s e q u e n c i n g g r a p h
r e d a t c o n s t a n t r a t e .
S h a r i n g :
{M o r e c o n c u r r e n c y .
{B i n d i n g a n d s c h e d u l i n g a r e a e c t e d .
S c h e d u l i n g o f p i p e l i n e d c i r c u i t s
c
G D M
S c h e d u l i n g o f n o n - p i p e l i n e d c i r c u i t
u s i n g p i p e l i n e d r e s o u r c e s .
S c h e d u l i n g o f p i p e l i n e d c i r c u i t
u s i n g n o n - p i p e l i n e d r e s o u r c e s .
{F u n c t i o n a l p i p e l i n i n g .
B o t h p r o b l e m s c a n b e m o d e l e d b y I L P .
S c h e d u l i n g f o r f u n c t i o n a l p i p e l i n i n g
c
G D M
C h o o s e :
{c y c l e - t i m e
.
{d a t a - i n t r o d u c t i o n i n t e r v a l
0
.
D e t e r m i n e ( a r e a , l a t e n c y ) s p e c t r u m .
K e y f a c t :
{S i m u l t a n e o u s o p e r a t i o n s a t s t e p s :
l +p
0
{R e d u c e d s h a r i n g .
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S c h e d u l i n g f o r f u n c t i o n a l p i p e l i n i n g
I L P m o d e l
c
G D M
d =
0
e ; 1
X
p = 0
X
i : T ( v
i
) = k
l + p
0
X
m = l ; d
i
+ 1 + p
0
x
i m
a
k
8 k 8 l
U s e d i n c o n j u n c t i o n w i t h o t h e r c o n s t r a i n t s .
U s e r e g u l a r I L P s o l v e r s .
S c h e d u l i n g f o r f u n c t i o n a l p i p e l i n i n g
H e u r i s t i c a l g o r i t h m s
c
G D M
L i s t s c h e d u l i n g :
{C o m p u t e r e s o u r c e u s a g e a t e a c h s t e p .
{D e t e r m i n e c a n d i d a t e s .
F o r c e - d i r e c t e d s c h e d u l i n g .
{O p e r a t i o n - t y p e d i s t r i b u t i o n :
A c c o u n t f o r o v e r l a p p i n g .
E x a m p l e
c
G D M
* * * * +
-
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E x a m p l e
c
G D M
1 2
3
4
5
NOP
NOP
1 2
3
NOP
NOP
4
5
NOP
NOP
(a) (b)
TIME 1
TIME 2
TIME 3
TIME 4
R e s o u r c e s h a r i n g
f o r p i p e l i n e d c i r c u i t s
c
G D M
S c h e d u l e d g r a p h s :
{D e t e r m i n e c o m p a t i b i l i t y ( o r c o n i c t ) g r a p
T h e l o w e r t h e
0
( t h e h i g h e r t h e t h r o u g h p u t )
{T h e l o w e r t h e c o m p a t i b i l i t y .
E x a m p l e :
0
= 2
c
G D M
* * * +
-
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E x a m p l e
c
G D M
* +
*
1 2
3 4
+
D a t a p a t h s y n t h e s i s
c
G D M
R e s o u r c e b i n d i n g .
C o n n e c t i v i t y s y n t h e s i s :
{C o n n e c t i o n o f r e s o u r c e s t o :
m u l t i p l e x e r s b u s s e s a n d r e g i s t e r s .
{C o n t r o l u n i t i n t e r f a c e .
{I / O p o r t s .
P h y s i c a l d a t a - p a t h s y n t h e s i s .
E x a m p l e
c
G D M
* ALU
REGISTERS
x
y
u
a
3
dx
enable
mux control
ALU control (+,,
-
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C o n t r o l s y n t h e s i s
c
G D M
S y n t h e s i z e c i r c u i t t h a t :
{E x e c u t e s s c h e d u l e d o p e r a t i o n s .
{P r o v i d e s s y n c h r o n i z a t i o n .
{S u p p o r t s :
I t e r a t i o n .
B r a n c h i n g .
H i e r a r c h y .
I n t e r f a c e s .
A s s u m p t i o n :
{S y n c h r o n o u s i m p l e m e n t a t i o n .
{C o n t r o l u n i t i s a F S M ( o r c o n n e c t i o n o f
F S M s ) .
C o n t r o l l i n g s c h e d u l e d o p e r a t i o n s
c
G D M
S i m p l e m o d e l :
{N o b r a n c h i n g , i t e r a t i o n , h i e r a r c h y .
{N o d a t a - d e p e n d e n t d e l a y s .
I m p l e m e n t a t i o n :
{F S M - o r i e n t e d d e s i g n :
H a r d w a r e : P L A s , g a t e s , r e g i s t e r s .
O n e F S M s t a t e p e r s c h e d u l e l e v e l .
{M i c r o c o d e - o r i e n t e d d e s i g n :
H a r d w a r e : R O M , P L A , c o u n t e r .
F S M - b a s e d i m p l e m e n t a t i o n
c
G D M
S i m p l e m o d e l :
{n e x t - s t a t e f u n c t i o n : u n c o n d i t i o n a l .
{o u t p u t f u n c t i o n : a c t i v a t e o p e r a t i o n s .
E x t e n d e d m o d e l :
{B r a n c h i n g a n d i t e r a t i o n :
C o n d i t i o n a l n e x t - s t a t e f u n c t i o n .
{H i e r a r c h y :
H i e r a r c h i c a l F S M c o n n e c t i o n .
E x a m p l e
c
G D M
* * * * +
-
7/27/2019 cont.4.ps
7/9
M i c r o c o d e i m p l e m e n t a t i o n
c
G D M
H o r i z o n t a l m i c r o c o d e :
{O n e b i t p e r a c t i v a t i o n s i g n a l .
{O n e m i c r o c o d e w o r d p e r s c h e d u l e l e v e l .
{M a x i m u m p e r f o r m a n c e .
{W i d e w o r d s .
V e r t i c a l m i c r o c o d e :
{E n c o d e e a c h r e s o u r c e a c t i v a t i o n s i g n a l .
{S h o r t e r w o r d s .
{O n e ( o r m o r e ) w o r d s p e r s c h e d u l e l e v e l .
E x a m p l e o f h o r i z o n t a l m i c r o c o d e
c
G D M
* * * *+
-
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M i c r o c o d e o p t i m i z a t i o n
c
G D M
C o n i c t g r a p h :
{C o n c u r r e n t o p e r a t i o n s .
{O p t i m u m v e r t e x c o l o r i n g
y i e l d s m i n i m u m n u m b e r o f e l d s .
C o m p a t i b i l i t y g r a p h :
{N o n - c o n c u r r e n t o p e r a t i o n s .
{O p t i m u m c l i q u e p a r t i t i o n i n g
y i e l d s m i n i m u m n u m b e r o f e l d s .
{M i n i m u m w e i g h t e d c l i q u e p a r t i t i o n i n g
y i e l d s m i n i m u m n u m b e r o f b i t s .
E x a m p l e
c
G D M
e l d o p c o d e
A 1 0 1
A 3 1 0
A 4 1 1
B 2 1
C 6 0 1
C 7 1 0
C 5 1 1
D 8 0 1
D 9 1 0
E 1 0 0 1
E 1 1 1 0
E x a m p l e
c
G D M
Activation signals
Microwords
A B C D E
Microword format
1 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 0 0
0 1 1 0 1 0 1 0 1
1 0 0 1 0 1 0 1 0
D1 D2 D3 D4
1,3,4 2 6,7, 5 8,9 1 0,11
H i e r a r c h i c a l c o n t r o l
c
G D M
E x p l o i t t h e h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r e o f s e q u e n c i n
g r a p h s .
O n e c o n t r o l l e r p e r e n t i t y .
I n t e r c o n n e c t e d n i t e s t a t e m a c h i n e s .
H a n d s h a k e :
{a c t i v a t e s i g n a l s .
{c o n d i t i o n s i g n a l s .
{r e s e t s i g n a l s .
-
7/27/2019 cont.4.ps
9/9
E x a m p l e
c
G D M
CONTROL
CONTROL
act
act
act
act
reset
reset
CONTROLUNIT
BLOCK
BLOCK
DATAPATH
act
reset
act
reset
act
reset
act
BLOCK
BLOCK
BLOCK
CONTROL
CONTROL
CONTROL
CONTOLUNIT DATAPATH
condition
C o n t r o l s y n t h e s i s f o r
u n b o u n d e d - l a t e n c y s e q u e n c i n g g r a p h s
c
G D M
D a t a - d e p e n d e n t d e l a y o p e r a t i o n s .
{ a c t i v a t e s i g n a l s .
{ c o m p l e t i o n s i g n a l s .
S y n c h r o n i z a t i o n p r o b l e m :
{ W a i t o n c o m p l e t i o n s i g n a l s .
{ W a i t o n e x t e r n a l s y n c h r o n i z a t i o n .
S e v e r a l s t r a t e g i e s .
{ C l u s t e r i n g .
{ A d a p t i v e C o n t r o l .
{ R e l a t i v e S c h e d u l i n g .
S u m m a r y
C o n t r o l s y n t h e s i s
c
G D M
D i e r e n t a p p r o a c h e s .
I m p l e m e n t a t i o n s :
{F S M , c o n n e c t i o n o f F S M s o r R O M .
T e c h n i q u e s :
{B o u n d e d d e l a y s o n l y :
F S M { m i c r o c o d e .
{U n b o u n d e d d e l a y s :
D i e r e n t m e t h o d s t o p r o v i d e s y n c h r o n i z a t i o n .