Open CourseWare
Recent changes

This is an old revision of the document!

Laboratorul 10 - Recapitulare

1. Obiective

În acest laborator ne propunem să definitivăm conceptele învățate pe parcursul semestrului, reamintindu-ne etapele prin care am trecut în construirea UAL-ului și miniprocesorului nostru. Recapitularea va fi făcută sub forma unui joc pe echipe. Va exista un număr prestabilit de taskuri (întrebări sau cerințe), iar echipa care va răspunde corect prima va primi punctajul pe acea întrebare. La final, punctajul se va împărți între echipe, conform numărului de taskuri la care a răspuns în mod corect fiecare.

2. Taskuri

Acestea vor fi făcute publice de asistent în timpul laboratorului, unul câte unul. Dacă taskul implică scriere de cod, acesta va fi verificat în simulator de către toți studenții înainte de trecerea la exercițiul următor.

Echipa care răspunde la o întrebare este responsabilă și cu lămurirea întrebărilor din partea colegilor. Dacă echipa nu poate motiva, sau nu poate da un răspuns corect la o întrebare a colegilor/asistentului, atunci va primi punctaj parțial pe task.

Task 1

Avem următorul modul definit (un mux 2:1): 

module mux2to1 (input [1:0] in, input sel, output out);
    assign out = in[sel];
endmodule

Creați un modul care să reprezinte un mux 4:1 folosindu-vă de declarări repetate ale modului mux2to1.

Task 2

Este implementat bine următorul modul? Dacă nu de ce? MyAnd este o poartă and, iar MyUal este un mini-ual care pentru sel == 0 face and pe intrări, iar pentru 1 face or.

  • 2.a
module MyAnd(input a, input b, output c)
     assign c = a & b;
endmodule
  • 2.b
module MyAnd (input a, input b, output c);
    reg regc;
 
    always @(*) begin
            regc = a & b;
    end
 
    assign c = regc;
end
  • 2.c
module MyAnd(input a, input b, output c);
    if (a == 1 & b == 1) begin
            c = 1;
    end else begin
            c = 0;
    end
endmodule
  • 2.d
module MyUal(input a, input b, input sel, output out);
    always @(*) begin
            if (sel == 0) begin
                    and(c,a,b);
            end else begin
                    or(c,a,b);
            end
    end
endmodule
  • 2.e
module MyUal(input a, input b, input sel, output out);
    always @(*) begin
            if (sel == 0) begin
                    assign out = a & b;
            end else begin
                    assign out = a | b;
            end
    end
endmodule
  • 2.f
module MyUal(input a, input b, input sel, output out);
    always @(*) begin
            if (sel == 0) begin
                    out = a & b;
            end else begin
                    out = a | b;
            end
    end
endmodule
  • 2.g
module MyUal(input a, input b, input sel, output out);
    reg rego;
 
    always @(*) begin
            rego <= a & b;
            if (sel == 1) begin
                    rego <= a | b;
            end
    end
 
    assign out = rego;
endmodule
  • 2.h
module MyUal(input a, input b, input sel, output out);
    reg rego;
 
    always @(*) begin
            rego = a & b;
 
            if (sel == 1) begin
                    rego = a | b;
            end
    end
 
    assign out = rego;
endmodule
  • 2.i
module MyUal(input a, input b, input sel, output out);
    reg rego;
 
    always @(*) begin
            assign rego = (sel == 0) ? a & b : a | b;
    end
 
    assign out = rego;
endmodule
  • 2.j
module MyAnd(input[3:0] a, input[3:0] b, output[3:0] c);
    and(c, a, b);
endmodule

Task 3

Care dintre următoarele secvenţe de cod sunt greșite? De ce? 

module MyAndXor(input a, input b, output oand, output oxor);
    assign oand = a & b;
    assign oxor = a ^ b;
endmodule

MyMod face operatia a ^ (a & b).

  • 3.a
module Mymod(input a, input b, output c);
    wire o1;
 
    MyAndXor (a, b, o1);
    MyAndXor(.oxor(c), .a(a), .b(o1));
endmodule
  • 3.b
module Mymod(input a, input b, output c);
    wire o1, o2;
 
    MyAndXor m1 (.a(a),  .oand(o1), .oxor(o2));
    MyAndXor m2 (o1, a, o2, c);
endmodule
  • 3.c
module Mymod(input a, input b, output c);
    reg o1, o2;
 
    MyAndXor m1 (.a(a), .b(b),  .oand(o1));
    MyAndXor m2 (o1, a, o2, c);
endmodule

Task 4

Este vreo diferență între comportamentele următoarelor module? 

module mux2to1 (input [1:0] in, input sel, output out);
    wire notsel, and1, and2;
 
    not(notsel, sel);
    and(and1, in[0], notsel);
    and(and2, in[1], sel);
    or(out, and1, and2);
endmodule
module mux2to1 (input [1:0] in, input sel, output out);
    assign out = (sel == 0) ? in[0] : in[1];
endmodule
module mux2to1 (input [1:0] in, input sel, output out);
    reg rego;
 
    always @(*) begin
            case (sel)
                1’b0: rego =in[0];
                1’b1: rego =in[1];
                default rego = 1’bx;
            endcase
    end
 
    assign out = rego;
endmodule

Task 5

Este vreo diferență între comportamentele următoarelor module? 

module Mymod(input a, input b, output c);
    reg op1, op2;
 
    initial begin
            op1 = 0;
            op2 = 0;
    end
 
    always @(*) begin
            op1 = a & b;
            op2 = a ^ op1;
    end
 
    assign c = op2;
endmodule
module Mymod(input a, input b, output c);
    reg op1, op2;
 
    initial begin
            op1 = 0;
            op2 = 0;
    end
 
    always @(*) begin
            op1 <= a & b;
            op2 <= a ^ op1;
    end
 
    assign c = op2;
endmodule
module Mymod(input a, input b, output c);
    assign c = a ^ (a & b);
endmodule
module Mymod(input a, input b, output c);
    reg op1, op2;
 
    initial begin
            op1 = 0;
            op2 = 0;
    end
 
    always @(a,b) begin
            op1 = a & b;
            op2 = a ^ op1;
    end
 
    assign c = op2;
endmodule

Task 6

Creați un debouncer în Verilog.

Task 7

Faceți un automat Moore pentru următorul fsm implementat în Verilog: 

`timescale 1ns / 1ps
module fsm(
input clk,
input reset,
input in,
output out
    );
    reg [1:0] currentState;
    reg [1:0] nextState;
    localparam STATE_Initial = 2'd0,
    STATE_1 = 2'd1,
    STATE_2 = 2'd2,
    STATE_3 = 2'd3;
 
    assign out = (currentState == STATE_3);
 
    always@ ( posedge clk ) begin
      if ( reset )
             currentState <= STATE_Initial;
      else
             currentState <= nextState;
      end
    end
 
    always@ ( * ) begin
          nextState = currentState;
 
          case ( currentState )
              STATE_Initial : begin
                        if(in == 0) begin
                            nextState = STATE_1;
                        end else begin
                            nextState = STATE_2;
                        end
              end
              STATE_1 : begin
                        if(in == 0) begin
                            nextState = STATE_1;
                        end else begin
                            nextState = STATE_2;
                        end
              end
              STATE_2 : begin
                        if(in == 0) begin
                            nextState = STATE_2;
                        end else begin
                            nextState = STATE_3;
                        end
              end
              STATE_3 : begin
                        if(in == 0) begin
                            nextState = STATE_1;
                        end else begin
                            nextState = STATE_2;
                        end
              end
              default: begin
                        nextState = STATE_Initial;
              end
          endcase
    end
endmodule

Task 8

Este următorul modul o implementare corectă al unui sumator ripple carry? Modulul FullAdder este implementat corect și face ce îi spune numele. 

module RippleCarry(
    input[7:0] A,
    input[7:0] B,
    input Cin,
    output[7:0] S,
    output Cout
    );
    wire[6:0] C;
 
    FullAdder fa0(.A(A[0]),.B(B[0]),.Cin(Cin),.S(S[0]),.Cout(C[0]));
    FullAdder fa4(.A(A[4]),.B(B[4]),.Cin(C[3]),.S(S[4]),.Cout(C[4]));
    FullAdder fa5(.A(A[5]),.B(B[5]),.Cin(C[4]),.S(S[5]),.Cout(C[5]));
    FullAdder fa6(.A(A[6]),.B(B[6]),.Cin(C[5]),.S(S[6]),.Cout(C[6]));
    FullAdder fa1(.A(A[1]),.B(B[1]),.Cin(C[0]),.S(S[1]),.Cout(C[1]));
    FullAdder fa2(.A(A[2]),.B(B[2]),.Cin(C[1]),.S(S[2]),.Cout(C[2]));
    FullAdder fa3(.A(A[3]),.B(B[3]),.Cin(C[2]),.S(S[3]),.Cout(C[3]));
    FullAdder fa7(.A(A[7]),.B(B[7]),.Cin(C[6]),.S(S[7]),.Cout(Cout));
endmodule

Task 9

Este implementat corect următorul modul de FullAdder? 

module FullAdder(
    input A,
    input B,
    input Cin,
    output S,
    output Cout
    );
    wire S1, C1, C2;
 
    HalfAdder ha1(.A(A),.B(B),.S(S1),.C(C1));
    HalfAdder ha2(.A(S1),.B(Cin),.S(S),.C(C2));
    xor(Cout, C1, C2);
endmodule

Task 10

Este implementat corect următorul modul de HalfAdder? 

module HalfAdder(
    input A,
    input B,
    output S,
    output C
    );
    assign S = A | B;
    assign C = A & B;
endmodule

Task 11

Este implementat corect următorul modul de scăzător? 

module Scazator(
    input[7:0] A,
    input[7:0] B,
    output[7:0] D,
    output Neg
    );
    wire Cout;
 
    Exercitiu_2_RippleCarry rc(.A(A),.B(~B),.Cin(1),.S(D),.Cout(Cout));
    assign Neg = D[7];
 
endmodule

Task 12

Este bine implementat următorul modul de FullAdder pentru CarryLookAhead? 

module FullAdder(
    input A,
    input B,
    input Cin,
    output S,
    output P,
    output G
    );
    wire S1, C1, C2;
    HalfAdder ha1(.A(A),.B(B),.S(S1));
    HalfAdder ha2(.A(S1),.B(Cin),.S(S));
    assign P = A | B;
    assign G = A ^ B;
endmodule

Task 13

Care din implementările următoare ale operației MUL sunt corecte?

  • 13.a
module POARTA_MUL(
    input[3:0] A,
    input[3:0] B,
    output[7:0] out
    );
 
    reg[8:0] P;
    reg[8:0] Aux;
    reg[8:0] S;
    reg[3:0] negA;
    reg var_aux;
    integer i;
 
    always @(*) begin
             P = {4'b0000, B, 1'b0};
             negA = ~A + 1;
             Aux = {A, 5'b00000};
             S = {negA, 5'b00000};
 
             for (i = 0; i < 4; i = i + 1) begin
                     case (P[1:0])
                        2'b00: begin
                        end
                        2'b01: begin
                                P = P + Aux;
                        end
                        2'b10: begin
                                P = P + S;
                        end
                        2'b11: begin
                        end
                    endcase
 
                    var_aux = P[8];
                    P = P >> 1;
                    P[8] = var_aux;
            end
    end
 
    assign out = P[8:1];
endmodule
  • 13.b
module POARTA_MUL(
    input[3:0] A,
    input[3:0] B,
    output[7:0] out
    );
 
    reg[8:0] P;
    reg[8:0] Aux;
    reg[8:0] S;
    reg[3:0] negA;
    reg var_aux;
    integer i;
 
    always @(*) begin
             P = {4'b0000, B, 1'b0};
             negA = ~A + 1;
             Aux = {A, 5'b00000};
             S = {negA, 5'b00000};
 
         for (i = 0; i < 4; i = i + 1) begin
             case (P[1:0])
                        2'b00: begin
                        end
                        2'b01: begin
                                P = P + Aux;
                        end
                        2'b10: begin
                                P = P + S;
                        end
                        2'b11: begin
                        end
                    endcase
 
                    P = P >>> 1;
            end
    end
 
    assign out = P[8:1];
endmodule
  • 13.c
module POARTA_MUL(
    input[3:0] A,
    input[3:0] B,
    output[7:0] out
    );
 
    reg[8:0] P;
    reg[8:0] Aux;
    reg[8:0] S;
    reg[3:0] negA;
    reg var_aux;
    integer i;
 
    always @(*) begin
             P = {4'b0000, B, 1'b0};
             negA = ~A + 1;
             Aux = {A, 5'b00000};
             S = {negA, 5'b00000};
 
             for (i = 0; i < 4; i = i + 1) begin
                     case (P[1:0])
                        2'b00: begin
                        end
                        2'b01: begin
                                P = P + Aux;
                        end
                        2'b10: begin
                                P = P + S;
                        end
                        2'b11: begin
                        end
                    endcase
 
                    P = P >> 1;
            end
    end
 
    assign out = P[8:1];
endmodule
  • 13.d
module POARTA_MUL(
    input[3:0] A,
    input[3:0] B,
    output[7:0] out
    );
 
    reg[8:0] P;
    reg[8:0] Aux;
    reg[8:0] S;
    reg[3:0] negA;
    reg var_aux;
    integer i;
 
    always @(*) begin
             P = {4'b0000, B, 1'b0};
             negA = ~A + 1;
             Aux = { 5'b00000, A};
             S = {,5'b00000, negA};
 
             for (i = 0; i < 4; i = i + 1) begin
                     case (P[1:0])
                        2'b00: begin
                        end
                        2'b01: begin
                                P = P + Aux;
                        end
                        2'b10: begin
                                P = P + S;
                        end
                        2'b11: begin
                        end
                    endcase
 
                    var_aux = P[8];
                    P = P >> 1;
                    P[8] = var_aux;
            end
    end
 
    assign out = P[8:1];
endmodule
  • 13.e
module POARTA_MUL(
    input[3:0] A,
    input[3:0] B,
    output[7:0] out
    );
 
    reg[8:0] P;
    reg[8:0] Aux;
    reg[8:0] S;
    reg[3:0] negA;
    reg var_aux;
    integer i;
 
    always @(*) begin
             P = {4'b0000, B, 1'b0};
             negA = ~A + 1;
             Aux = {negA, 5'b00000};
             S = {A, 5'b00000};
 
             for (i = 0; i < 4; i = i + 1) begin
                     case (P[1:0])
                            2'b00: begin
                        end
                        2'b01: begin
                                P = P + Aux;
                        end
                        2'b10: begin
                                P = P + S;
                        end
                        2'b11: begin
                        end
                    endcase
 
                    var_aux = P[8];
                    P = P >> 1;
                    P[8] = var_aux;
            end
    end
 
    assign out = P[8:1];
endmodule

3. Problemă examen

În vederea pregătirii problemei pentru examen (a.k.a proba numita “problema”), trebuie să aveți în vedere cele 2 mari tipuri de probleme prezentate la curs:

  • BRANCH PREDICTOR
  • DATA HAZARDS IN PIPELINE

Pentru ambele tipuri de probleme, găsiți teoria necesara în cursul de CN de pe moodle.

  • Pentru primul tip de problema, pe lângă exemplele din curs, atașăm mai jos un model complet de redactare a acestui subiect.
  • Pentru tipul al doilea, aveți numeroase exemple (figuri) în curs care ilustrează cum sunt rezolvate aceste tipuri de hazarde.

In plus, puteți consulta următoarele link-uri:

ATENȚIE! Vă rugăm ca în redactarea problemelor să folositi notațiile/convențiile prezentate la curs și la laborator.

Exemplu problemă BRANCH PREDICTOR

Fie următorul cod în assembly (simplificat): 

mov ax, $a
mov bx, $b
 
_while:
    cmp ax, bx  ; ax ? bx
 
    jg _greater ; ax > bx ?
    jl _less    ; ax < bx ?
    je _pwp     ; ax == bx ?
 
    jmp _while
 
_greater:
    sub ax, bx ; ax = ax - bx
    jmp _while
 
_less:
    sub bx, ax ; bx = bx - ax
    jmp _while
 
_pwp: ;se afiseaza conținutul lui ax

Observații

  1. Recapitulare assembly
    • jmp este instrucțiune ce implementează un salt necondiționat
    • jg, jl, je sunt instrucțiuni ce implementează salturi CONDITIONATE (doar pentru acestea Branch Predictorul poate optimiza lucruri)
    • add/sub, cmp sunt folosite pentru adunare/scadere și comparare
    • mov este instrucțiunea care copiază în destinație (primul operand), conținutul sursei (al doilea operand)
  2. În acest exemplu, instrucțiunile au fost explicate, atat în această secțiune cat și în cod (prin comentarii). Ne așteptăm ca la examen să știți ce fac instrucțiunile: add/sub, je/jg/jl/jmp, cmp, inc, load (ld) /store (st)/mov. De asemenea, ce este un registru (ex. ax/eax, bx/ebx, cx/ecx, dx/edx sau r1, r2, r3 …), cum luăm valoarea de la o adresa (b), sintaxa pentru instrucțiuni (ex. mov reg destinație reg_sursa).

Avem 2 procesoare, fiecare având frecvența de 1Ghz, care execută acest cod, procesoarele A și B. Metoda de branch prediction folosită de fiecare este:

A. 1-bit counter (taken/not taken)

B. 2-bit counter (strongly taken/weak taken/weak not taken/strongly not taken)

Ambele pornesc cu o abordare pesimistă, counterul/state machine-ul fiecăreia având starea inițială pentru procesorul A not taken și pentru B strongly not taken. De altfel, ambele implementează un branch predictor global, astfel că există un singur counter/state machine global, pentru toate branch-urile. Se știu numărul de cicli de ceas pentru fiecare tip de instrucțiune: mov - 1 ciclu, cmp - 1 ciclu, sub - 1 ciclu, branch - 20 cicli (dacă nu a fost prezis corect) sau 2 cicli (dacă a fost prezis corect).

Se cer următoarele:

1. Pentru input-ul a=26 și b=34 să se evidențieze prin ce stări trec branch-predictor-ele celor 2 procesoare, semnalându-se și care branch-uri au fost prezise corect, respectiv incorect. (4p)

2. Să se calculeze timpul de rulare al programului pe cele 2 procesoare, pentru input-ul de la punctul 1. (3p)

3. FIe un procesor C, cu frecvență de 1Ghz, care are aceeași metoda de branch prediction pe 2 biți ca procesorul B, implementând însă un branch predictor local (câte un counter/state machine pentru fiecare branch). Execută procesorul C codul dat mai repede decât procesorul A sau B, pentru input-ul de la punctul 1? Argumentați. Care este speed-up față de B? (3p)

Rezolvare

Rezolvare

Rezolvare problema

​

4. Model colocviu

Colocviul va fi scris (nu există probă practică pe calculator). Acesta este closed book. Regulamentul se află aici.

Formatul acestuia va fi următorul:

  • 4 subiecte de câte 2.5 puncte
  • Timp de lucru 50 min. Fără documentații. Totul se redactează pe foaie.
  • Colocviul verifică toate cunoștințele din materia predată la laborator, printre care și noțiuni de Verilog (veți scrie cod pe foaie).

Exemple de subiecte:

  • Subiectul 1 va fi o întrebare de teorie/o comparație/o definiție/un algoritm/o idee/un principiu/etc din materia de laborator.
  • Subiectul 2 poate sa ceară corectarea unui cod Verilog dat, menționarea unor concepte + exemplificare prin cod Verilog (ex. semnătură module, instanțiere module), etc.
  • Subiectul 3 va presupune scrierea unui modul/o secvență de cod Verilog. Acesta va fi asemănător cu exercițiile deja codate în laboratoare.
  • Subiectul 3 va presupune scrierea unui modul/o secvență de cod Verilog. Acesta va fi asemănător cu exercițiile deja codate în laboratoare.
  • Indicii 1, 2, 3, 4 sunt orientativi. (Ex. Subiectul 1 poate sa fie FSM Moore, iar subiectul 4 poate sa fie o întrebare. Ați prins ideea. :D)

Mai jos puteți consulta un model. 

Vineri 10-12 26.05.2017
Colocviu CN1
(2.5p) Care este diferența dintre un half adder și un full adder? De ce avem nevoie de ambele?
 
 
(2.5p) Implementați în Verilog un sumator pe 2 biți. Sumatorul NU are intrare de carry. NU puteți folosi
operatorul +.
 
(2.5p) Pornind de la următoarea descriere la nivel procedural al unui modul în Verilog scrieți descrierea
la nivel structural al aceluiași modul.
module foo(input a, input b, input c, output reg out);
     always @(*) begin
         case (b)
             1’b0: begin
                      out <= a | c;
                   end
             1’b1: begin
                      out <= 0;
                   end
         endcase
     end
endmodule
 
(2.5p) Creați diagrama pentru un automat cu stări de tip Moore care primește intrările '1' și '0' și are ca
ieșire "da" sau "nu". Automatul trebuie să recunoască secvențe care conțin subsecvența "1010".
Exemplu: intrare "1010" => ieșire "da"; intrare "111010" => ieșire "da"; intrare "101001" => ieșire "da";
intrare "1111" => ieșire "nu"; intrare "1011" => ieșire "nu"; intrare "10010" => ieșire "nu".

5. Linkuri utile

https://ocw.cs.pub.ro/courses/cn1

Table of Contents

cn1/laboratoare/10.1587938139.txt.gz · Last modified: 2020/04/27 00:55 by adina.smeu
Old revisions
Media ManagerBack to top
CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported
www.chimeric.de Valid CSS Driven by DokuWiki do yourself a favour and use a real browser - get firefox!! Recent changes RSS feed Valid XHTML 1.0