Άσκηση 11: Ο Απλός Υπολογιστής στον Προσομοιωτή ...hy120/20f/11c_ex11_cktv.pdf011c - Άσκηση 11: ο Απλός Υπολογιστής στον

Άσκηση11:ΟΑπλόςΥπολογιστήςστονΠροσομοιωτή

(μέροςΑ’)

011c(Άσκηση11) – 4 - 7 Ιαν.2021 – ΜανόληςΚατεβαίνης

©copyrightUniversityofCrete– https://www.csd.uoc.gr/~hy120/20f/copyright.html

Πανεπ.Κρήτης– Τμ.Επ.Υπολογιστών– ΗΥ-120ΨηφιακήΣχεδίαση

Προοίμιο:Πρωτοβουλίες/παραλλαγέςευπρόσδεκτες• ΣτηνεκφώνησηαυτήπαρουσιάζεταιέναςδυνατόςτρόποςναφτιαχτείέναςαπλόςυπολογιστήςσανεκείνοντουμαθήματοςκαιτουΕργαστηρίουστοCircuitVerse,όμωςπροφανώςυπάρχουνκιάλλοι

• Είστεευπρόσδεκτοινακάνετετηδικήσαςπαραλλαγήηπρόταση• Καλέςιδέεςαπόδικέςσαςπαραλλαγές/προτάσειςθαεξεταστούνγιάπιθανήενσωμάτωσηστηνεκφώνησητηςεπόμενηςχρονιάς

• Καινοτομίεςαπόπλευράςσαςθαεκτιμηθούνβαθμολογικάθετικά(αρκείηπαραλλαγήσαςναμηναφαιρείαπότονυπολογιστήκάποιαουσιαστικήδυνατότητα,όπωςδομέςδεδομένων,επιστροφήαπόδιαδικασίες,κλπ)

• ΗDataMemory,εδώ,παραπιάνειπολύχώρο– μακάριναβρείτεκάποιοντρόπονατηνμικρύνετεσεεπιφάνειαπουκαταλαμβάνειστηνοθόνη

• Εντολέςδιακλάδωσης&indexedδενείναιεδώ- θαείναιστηνΆσκηση122011c-Άσκηση11:οΑπλόςΥπολογιστήςστονΠροσομοιωτή(μέροςΑ')-ΗΥ-120©U.Crete

ΣημείωσηγιάτονέοUserInterfaceτουCircuitVerse• Τοcircuitverse.org/simulator απέκτησενέοUserInterface• Μοιάζειναέχει(τουλάχιστον)έναbugστοSaveOffline– ότανέχειπολλάprojectsαποθηκευμένακαιγεμίζεικατακόρυφατομενούOpenOffline,(α)χαλάειτοUI,και (β)κάθενέοsaveσβήνεικαι πανωγράφειτοτελευταίοproject– επίσηςδενδουλεύειτοdeletepreviouslysavedproject (γιάναξαλαφρώσειτοσχετικόμενού)

• ΤοπαλαιόUserInterface,πουμοιάζειναδουλεύεικαλά,βρισκεταιστο:https://circuitverse.org/simulator_old– μόνοπουτοfontσταPropertiesείναιμαύροπάνωσεμαύροL– οιSplittersστηνεδώεκφώνησηείναιαπότοπαλαιόUserInterf.

3011c-Άσκηση11:οΑπλόςΥπολογιστήςστονΠροσομοιωτή(μέροςΑ')-ΗΥ-120©U.Crete

ΜνήμηΕντολών: κατασκευήμεROM• ΗROMέχειτοπλεονέκτημαότιβλέπουμεταπεριεχόμενάτης(καιποιάλέξηδιαβάζουμετώρα),ότιμπορούμεμεποντίκικαιπληκτρο-λόγιονατααρχικοποιούμεήαλλάζουμε– δηλ.ναγράφουμεεκείταπρογράμματάμας– καιαυτάδιατηρούνταιacross save• ΗROMείναιπάνταενόςμόνονμεγέθους:16λέξεις× 8bits/λέξη• Ίσωςκαιναέφταναν16εντολέςσυνολικά(τσίμα-τσίματοπρόγραμ-ματης§12.5),αλλάθαέπρεπενασβήμουμεκαιγράφουμεταδιάφοραπρογραμματαελέγχουπουθαέχουμε• Γι’αυτόεγώέβαλαχωρητικότητα32εντολέςστηνεδώI_MEM,δηλαδήπεντάμπιτοςPCκαιδύοROMblocksκαθ’ύψος• Πλάτος8bitsμόνονανάεντολήθαήτανσχεδόναδύνατο(θαμαςυποχρέωνεσε4-μπιτεςδιευθύνσεις⇒ 16datawords, 16εντολές),άραεγώέβαλα16-μπιτεςεντολές⇒ δύοROMblocksκατάπλάτος


ΟκτάμπιτοςOpcode: ΑπλότητακαιΕυελιξίαΕλέγχου• Κράτησα8-μπιτοτοδεξιόπεδίοτωνεντολών(συνήθωςδιεύθυνση)– έτσι,opcodes-διευθύνσειςχωρίζονταιαπλάσεαριστερές-δεξιέςROM– παρ’ότι5bitsαρκούνγιάτιςδιευθύνσεις,όμωςτώραμπορούμεναβάζουμεκαιαριθμητικέςσταθερές(8bits) μέσαστιςεντολές(χάριςσταπολλάopcodes)

• Μετα8bitsπουπερισσεύουνγιάτονOpcode,μπορούμετώρανα«σπαταλήσουμε»κάμποσουςσυνδυασμούςτουςπροκειμένουνααπλοποιήσουμετοκύκλωμαελέγχου– αφιερώνουμεopcode bits,ανάέναήλίγα, σεέναήμερικάσήματαελέγχου– ακόμακαιεάνμερικοίτέτοιοισυνδυασμοίεμφανίζονταισπανίωςήποτέ– 3bitsγιάτοALUmodeγιάτις8πράξειςτηςALUτουCircuitVerse– 1bit(«ολόκληρο»!)bitγιά“passB”– 2bitsγιάεπιλογήενόςαπότους4οδηγητέςτουBUS(imm,dm,acc,ext)– 1bitγιάεντ. μεταφοράςελέγχου(CTI– ControlTransferInstr./jump-branch)– 1bitγιάεντολέςindexed(indirect)αριθμητικήςκαιload/store


ΜνήμηΔεδομένωνμεορατάπεριεχόμενα:Καταχωρητές• ΟιRAMτουCircuitVerseυστερούνσεεποπτεία– δενβλέπουμεταπεριεχόμενάτους(“coredump”δενδουλεύει)

• Οικαταχωρητές(multi-bitDflipFlop’s)δείχνουντοπεριεχόμενότους• ΠροτείνωτηνκατασκευήτηςDataMemoryμεκαταχωρητές– Πλεονέκτημα:βλέπουμεσυνεχώςόλαταπεριεχόμενα– Μειονέκτημα:πιάνειπολύχώροστηνοθόνη

• Εγώτηνέκαναμε16λέξεις(τετράμπιτεςδιευθύνσεις)– σεδύοστήλες,γιάναμηνείναιυπερβολικάψηλή– 12λέξειςθααρκούσαν,αλλάδενείναιδύναμητου2– 8λέξειςθαζόριζανστηνάσκησημετονπίνακα(§12.5)

• Ακμοπυροδότητοικαταχωρητές,επειδήστιςεντολέςεγγραφήςτοσήμαdmWrite μπορείναανάψειπριν ηδιεύθυνσηναείναιέγκυρη


Παρακολούθησητιμών:Μανταλωτέςμεload=1


• Dlatch(μανταλωτής)– απότο“SequentialElements”menu

• BitWidth=8• Label=επιθυμητόόνομα,ναμαςθυμίζειτιδείχνει• Loadenableinput(τηνλέει“clock”– κακώς!)συνδεδε-μένησταθεράστο1⇒ τοπεριεχόμενοαλλάζειαμέσωςμόλιςαλλάξειηείσοδος(1=“Power”,απόInputmenu)• ΤοπεριεχόμενοεμφανίζεταιστοΔεκαεξαδικό– πολύπιόcompactαπόταHexDisplays

Αριθμητική-ΛογικήΜονάδακαισυναφή


• BitWidth=8σεόλαταστοιχείαεδώ• ALU απότοMiscmenuτουcircuitverse• Κρατάμετις8πράξειςπουαυτήέχει,όπωςτιςέχει,μετο3-μπιτοσήμαελέγχουaluMode

• Δενέχει«πράξη»passB,άραχρειαζόμαστεεξωτερικάτηςτονπολυπλέκτηπουφαίνεται,μετο(«τέταρτο»)σήμαελέγχουpassB

• DflipFlop (8-bit)ACC ωςΣυσσωρευτής,μεσήμαελέγχουφόρτωσηςaccLd

• Δύο(8-μπιτα)Dlatch’es ωςdisplays(BUS,ALUout)• Εξωτερικήείσοδος«πληκτρολογίου»(8-μπιτη)• Δύοτρικατάστατοιοδηγητέςελεγχόμενοιαπότασήματαελέγχουacc2bus,ext2bus

ProgramCounter(PC)


ProgramCounter(PC)


• Εάνκρατείστετομέγεθοςτηςμνήμηςεντολώνσε32όπωςεδώ,τότετοBitWidth=5γιάPCκαισυναφή

• ΤοBUS όμωςείναι8-μπιτο,άραχρειάζεταιέναςSplitterκάτωαριστερά,εκείπουπαίρνουμετα5LSbitsτουBUSωςυποψήφιαδιεύθυνσηεπόμενηςεντολής

• DflipFlop (πεντάμπιτο)ωςPC,δεξιάστοβρόχο,μεέλεγχοloadenable(pcLd)• ΣήμαReset καιδιακόπτεςαρχικήςτιμήςγιάδιεύθ.εκκίνησηςπρογρ.(“main”)• Adder (5-bit)απόMiscmenu,αριστερά,μεσταθερέςεισόδουςγιά+1 πάντα• ΠολυπλέκτηςμεέλεγχοpcMd γιάεπόμενηεντολή:«απόκάτω»ή«άλλη»• Τρία (πεντάμπιτα)Dlatch’esωςdisplays(PC+1,other_nxt_PC,nxt_PC)• Εδώ,pcLdείναιπάντα=1(θααλλάξειστηνΆσκ.12γιάεντολέςindexed)

ΜνήμηΕντολών(IMEM)


ΜνήμηΕντολών(IMEM)


• Τέσσεραμπλόκ“Rom”απότοMemoryElementsmenu

• ΑριστεράοιOpcodes,μεέξοδοπροςταεπάνω(προςΈλεγχο)

• Δεξιάοιαριθμητικέςσταθερέςήδιευθύνσεις,iaddr(“addressfrominstruction”)μεέξοδοδεξιάκάτω

• Επάνωοιδιευθύνσεις00έωςκαι0F• Κάτωοιδιευθύνσεις10έωςκαι1F• Διεύθυνση(πεντάμπιτη)απότονPC,κάτω,μέσωSplitterγιά4 LSbits,1MSbit• Τα4LSbitsδιεύθυνσηςπάνεστοκάθεROMblock• ΤοέναMSbitδιεύθυνσηςεπιλέγει,μέσωπολυπλεκτών,τοπάνωήκάτωμπλόκ

ΜνήμηΔεδομένων


• DflipFlops(8-μπιτα)ωςλέξεις• Αριστερήστήληοιδιευθ.0- 7• Δεξιάστήληοιδιευθ.8- F• ΤετράμπιτηΔιεύθυνσηαπόκάτωαριστεράμέσωSplitter:– 3LSbitsεπιλογήπάνω-κάτω– 1MSbit επιλ.αριστερά-δεξιά

• Ανάγνωσημεπολυπλέκτες,δεξιάστηνκάθεστήλη(3LSaddr.bits),καιμετάπολυπλ.κάτω(addr_MS)• Εγγραφήαπόαριστερά,μεClockκαιταDataIn απότοBUS (κάτω)• ΕπιλογήλέξηςγιάτυχόνεγγραφήμέσωτωνloadEnable,μεχρήσηαποκωδικοποιητών(αριστερά)πουέχουνκαισήμαEnable(“demux”τουςλέει),ξεκινώνταςαπόdmWrπάνωδεξιά,μεMSaddr.bit,κλπ.

BUS,ΟδήγησηαπόIMEMήDMEM,AddressMode


• ΤρικατάστατοςπροςBUSαπόδεξιόπεδίοτηςIMEM (“iaddr”)(στααριστερά)ελεγχόμενοαπόim2bus• ΟμοίωςαπόDMEM (μέσονκάτω,“dataOut”)ελεγχόμενοαπόdmRd (mem.Read)• ΤρίαοκτάμπιταDlatch’esωςdisplays:iaddr (πάνωαριστερά),BUS,dataOut (κάτωμέσον)• ΟκτάμπιτοςκαταχωρητήςTMP κρατάτηντιμήτουBUSαπόπροηγ.κύκλογιάεντ.indexed• ΔιεύθυνσηπροςDataMemoryμέσωοκτάμπιτουπολυπλέκτηελεγχόμενουαπόaddrMd• ΕδώτοaddrMd πάντα=0 –ηδιεύθυνσηαπόTMPμόνονγιάεντολέςIndexed(Άσκ.12)

Opcode1bit 1bit 2bits 1bit 3bits

X CTI busSrc passB aluMode


Indexedload/store

/ALU(indirectDMEMaccess)

ControlTransfer

Instruction(branch/jump)

aluMode Operation000 0 A&B (and)001 1 A|B(or)010 2 A+B(add)011 3 ???100 4 A&(~B)101 5 A|(~B)110 6 A- B(sub)111 7 set-if-less-than

(ίδιαόπωςCircuitVerseALU)

busSrc enable00 0 im2bus01 1 dmRd10 2 acc2bus11 3 ext2bus


Decoder

ΚύκλωμαΕλέγχου1b 1b 2b 1b 3bits

X CTI busSrc passB aluMode

ΆμεσεςΣταθερές(ImmediateConstants)• ΑφούδώσαμεπερισσότεραbitsστονOpcode,μπορούμεναέχουμεκαιεντολέςαριθμητικής/loadμεσταθερότελεστέο• Σταθεράωςτελεστέος:οδήγησητουBUSαπόIMEM(im2bus)• Μεταβλητήωςτελεστέος:οδήγησητουBUSαπόDMEM(dmRd)• Έστω“iaddr” ταδεξιά8bitsτηςεντολής(imm.constant/ address):– loadimmediate:ACC← iaddr (τα8bitsαπόεντολήαυτάκαθεαυτά)– load (παραδοσ.):ACC← DM[iaddr] (ημτβλ.απόεκείπουλένετα8bits)– addimmediate:ACC← ACC+iaddr (πρόσθεσησταθεράςαπόεντολή)– add (παραδοσ.):ACC← ACC+DM[iaddr] (πρόσθεσημεταβλητής)

• Έτσιαπαλλασόμαστεκαιαπότοπρόβληματουναπρέπειναβάζου-μετιςσταθερέςστηνDMEMκαιναπρέπεικαινατιςαρχικοποιούμε


ΟιπιόχρήσιμεςΕντολές(γιάτηνΆσκηση11)


Opcode Opcode/controlfields(binary)ΛειτουργίαAssembly Hex X CTI busSrc passB aluMode

andi 00

0 0 00(im2bus)

0

000 ACC← ACC&iaddr (andimmed.)ori 01 001 ACC← ACC| iaddr (orimmediate)addi 02 010 ACC← ACC+iaddr (addimmed.)subi 06 110 ACC← ACC- iaddr (sub immed.)ldi 08 0 0 1 xxx ACC← iaddr (loadimmediate)and 10

0 0 01(dmRd)

0

000 ACC← ACC&DM[iaddr] (and)or 11 001 ACC← ACC| DM[iaddr] (or)add 12 010 ACC← ACC+DM[iaddr] (add)sub 16 110 ACC← ACC- DM[iaddr] (subtract)ld 18 0 0 1 xxx ACC← DM[iaddr] (load)st 20 0 0 10(acc2bus) x xxx DM[iaddr]← ACC (store)inp 30 0 0 11(ext2bus) x xxx DM[iaddr]← Ext_kbd_in (input)jmp 40 0 1 00(im2bus) x xxx PC← iaddr (jump)

Παράδειγμα:Άθροισμαακεραίων–απόδεδομένον&πάνωAssembly: Instr.Mem.

06: ldi 00 06: 08 0007: st s (05) 07: 20 0508: inp n (04) 08: 30 04

loop→ 09: ld s (05) 09: 18 050a: add n (04) 0a: 12 040b: st s (05) 0b: 20 050c: ld n (04) 0c: 18 040d: addi 01 0d: 02 010e: st n (04) 0e: 20 040f: jmp 09(loop) 0f: 40 09


s=0;n=input();while(1){

s=s+n;n=n+1;

}

DataMem.

04: n05: s

Τιέχετενακάνετε1. Μελετήστεκαικαταλάβετετηνεκφώνηση2. ΣχεδιάστετοναπλόυπολογιστήσαςστοCircuitVerse– είτεαυτόνπουδίδεταισεαυτήτηνεκφώνηση,είτετηνδικήσαςπαραλλαγή

3. Γράψτεμερικέςδικέςσαςαπλέςεντολέςπουναελέγχουντοκύ-κλωμα,στιςδιευθύνσεις00έωςκαι05(ήκαιπιόκάτω)τηςIMEM

4. Ορίστεinitial_PC =0,πατήστεRESET,μετάCLOCK επανειλημμένα,καικατανοήστεκαιελέγξτετησωστήεκτέλεσητωνεντολών

5. Ομοίωςγιάτοπρόγραμματηςδιαφάνειας20 (μεinitial_PC =06)6. Γράψτε,τρέξτε,καιελέγξτεκιέναάλλοδικόσαςπρογραμματάκι

στιςθέσεις10- 1F(ήάλλες) τηςμνήμηςεντολών (initial_PC =10)7. Αναφορά(PDF):φωτογραφίατου2&εξηγήσειςεάνδιαφέρειαπό

τηνεκφώνηση,Assembly,binary,&εξηγήσειςγιά3και6παραπάνω


Documents

Άσκηση 11: Ο Απλός Υπολογιστής στον Προσομοιωτή ...hy120/20f/11c_ex11_cktv.pdf011c - Άσκηση 11: ο Απλός Υπολογιστής στον