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MU1-Rechner

Was kann er mehr:

• Indirekte Adressierung
• Schleifen
• Unterprogramme (Strukturen)
• Optimieren der Datenzugriffe (schneller)

ALU

Verbesserungen

• Funktionen der ALU
  • A+B ist der Ausgang des Addierers
  • A-B wird gebildet als A+nichtB+1
  • B wird implementiert, indem A fest auf 0 gesetzt wird
  • A+1 wird implementiert, indem Eingang B fest auf 0 und Carry-Eingang auf 1 gesetzt wird

Grundfunktionen MU1-ALU

• FA: Funktion (0, A) (also eig. F0A)
• FB: Funktion (0, B)
• FIA: Funktion (Inverter, A)
• FIB: Funktion (Inverter, B)
• FC: Funktion (F1, Carry-Flag)
• F1: Funktion (0/1)
• FS: Funktionsergebnis Statusregister
• C: Funktionsergebnis C

Der MU1-Datenpfad

• Das erweiterte Modell besitzt
  • Stackpointer SP
  • Register Din und Dout
• Laufzeiten sind kürzer pro Takt
  • Takt kann erhöht werden
• Durch Din und Dout braucht es mehr Taktzyklen, diese sind aber schneller durchlaufen

Der Reset

• Jeder Prozessor hat einen Reset-Eingang
  • ist negiert angelegt → 0 macht reset
    • Program Counter wird auf 0 gestellt, Microprogram-Counter step ebenfalls
    • ALU wird auf Funktion NULL gesetzt
• Beim Einschalten wird Reset-Signal verzögert gesetzt
  • Prozessor braucht Zeit um Startzustand herzustellen

Micro-Program-Counter Step

• Step ist ein Speicher in der Steuereinheit (Timing/Control Unit)
• meiste Befehle benötigen mehrere Takte
  • Micro-Program-Counter Step gibt Steuerlogik Informationen
    • welche Aktionen sind auszuführen
    • Step = Eingangsinformation für jeden Schritt
• Steuerungstabelle weiß welcher step welcher Schritt ist

Befehlsablauf MU1

• Step == Null
  • Fetch (lesen des Befehls in das Instruction Register)
• letzter Schritt: Step = Null
• Step wird meistens um 1 erhöht
  • falls nicht → Schleife

Fetch-Zyklus

• findet in einem Takt statt
  • 1. Taktflanke
    • Program Counter wird auf Adressbus und auf ALU[A] geschaltet
    • An der ALU ist Befehl=A+1, S=0
  • 2. Taktflanke
    • Speicher liest nächste Instruktion und speichert in IR
    • PC wird über ALU um 1 erhöht

Befehl LDA (Laden des AKK aus Speicher)

• Zwei Takte
• 

Zustandsbeschreibung des Ladebefehls

• Nach Fetch entscheidet Opcode im IR und Schrittnummer, welchen Zustand der Automat als nächstes annimmt
• Step ist PC im Microcode und beschreibt Abfolge der Befehle im Microcode
• Zu jedem Schritt gehört eindeutige Funktion
  • Lässt sich in Timing-Control-Logik umsetzen

Adressierung

Direkte Adressierung (STO/LDA)

• Befehl erhält direkt die Speicheradresse
  • Adresse kann zur Laufzeit nicht mehr verändert werden

Indirekte Adressierung (STR/LDR)

• Adresse steht an Speicherstelle
  • effektive Adresse kann noch berechnet werden
    • Schleifen können programmiert werden

Adressierungsarten

Unmittelbare Adressierung (immediate)

• Befehl erhält Konstante
  • bspw.: ADD #1

Direkte Adressierung (direct, absolute)

• Befehlt enthält Adresse im Speicher, an der sich Operand befindet
  • bspw.: LDA S (S gibt Adresse im Speicher an)

Indirekte Adressierung (indirect)

• Befehl enthält Adresse, an der dich effektive Adresse mit Inhalt befindet
  • bspw.: LDR S (S gibt indirekte Adresse an)

Der Stack

• stellt dynamischen Zwischenspeicher dar
• Grundoperationen: Push, Pop
• Meiste Speicherlayouts (Konventionen) sehen vor:
  • wächst von oben nach unten
  • wächst von großen zu kleinen Adressen

Stack - PUSH

• erniedrigt Stackpointer
• schiebt einen Wert in Speicherwort, auf das der Stackpointer zeigt

Stack - POP

• liest ein Speicherwort von Adresse auf den der Stackpointer zeigt
• erhöht den Stackpointer

Der Stack im Speicher

• Stackpointer wird auf Adresse am Ende des Speicherbereichs gesetzt
• Programme werden im unteren Speicherbereich platziert
  • Programm-Counter auf Adresse 0
• Programmbereich schließt sich nach oben an Datenbereich an
• Zwischen Daten und Stack findet man Heap

Zugriffe auf den Speicher

Unterprogramme

• wichtiges Strukturierungsmittel für Programmierung
• werden mit Sprungbefehl (call, bl) angesprungen
• Nach Verlassen des UP wird ursprüngliches Programm wieder fortgesetzt
  • Rücksprung erfolgt indem gespeicherte Adresse wieder in PC übertragen wird

Unterprogramm Aufrufe

Call

• nächster nach der Rückkehr auszuführende Befehl wird auf den Stack gespeichert
  • Sprungadresse wird aus IR in PC geladen

Return

• Rücksprungadresse von Stack in PC geschrieben
  • fetch-Zyklus lädt neue Instruktion

MU1-Befehlssatz

Micro-Codes

X = Y

• Inhalt des Registers Y wird nach X verschoben

X = [Y]

• Inhalt von Adresse in Y wird nach X verschoben

X = Y op Z

• Inhalt von Y (A-Bus der ALU) wird mit Z (B-Bus der ALU) verrechnet und nach X transportiert

[X] = Y

• In Adresse in X wird Inhalt von Y geschrieben

ACC = Din

• ACC & Din sind Registernamen
  • Inhalt von Din wird nach ACC transportiert
• in Din muss oe gesetzt sein, in ACC muss ie gesetzt sein
• Transport über ALU
  • ALU Funktion muss B sein
• Da Speicher nicht angesprochen wird (keine [])
  • MEMeq=0 und RnW beliebig

Din = [SP]

• Inhalt von SP ist Adressinformation
  • Adressmultiplexer muss auf 0 stehen
• Da Speicher angesprochen wird
  • MEMrq = 1, RnW = 1
• Da ALU nicht benutzt wird
  • ALU-Funktion kann beliebig gesetzt werden

PC = PC + 1

• ALU-Funktion muss A+1 sein
• PC wird auf A-Bus gelegt
• in der zweiten Hälfte des Takts wird Ergebnis in PC geschrieben
• oe und ie von PC müssen 1 sein

Din = [SP], SP = SP+1

• Beide Operationen können in einem Takt durchgeführt werden
  • Adressierung in der ersten Takthälfte
  • Zurückschreiben in der zweiten Takthälfte

Regeln für MU1

[X] = Dout

• wird in den Speicher geschrieben, muss rechte Seite Dout sein
• MEMrq = 1, RnW = 0
• zu schreibender Wert muss VORHER nach Dout gebracht werden

X = [Y]

• wird vom Speicher gelesen
  • linke Seite muss IR oder Din sein
• MEMrq = 1, RnW = 1

keine Adresse

• wird keine Adresse verwendet
  • MEMrq = 0, RnW = 1
• Nur ein Register darf jeweils auf einen Bus schreiben (A- oder B-Bus), aber alle dürfen lesen

Die Addition ADD S

• IR wird zur Adressierung verwender und der Wert nach Din gebracht
  • Din = [IR]
• Inhalt des AKK wird auf A-Bus gelegt, Inhalt von Din auf B-Bus
  • ALU-Funktion ist A+B, S : ACC = ACC + DIN

Die Operation PUSH

Akkumulator wird auf den Stack geschoben

• Besteht aus 3 Schritten
  1. SP = SP-1
     • 
  2. Dout = ACC
     • 
  3. [SP] = Dout
  • 
  • Micro-Program-Counter Step wird auf 0 gesetzt
    • Fetch-Zyklus schließt sich an

MU1-Zustandsautomat für LDA, ADD, PUSH

• Nach dem Holen des Opcodes im Fetch-Zyklus
  • Zustand des OpCode wird angesprungen
• Step-Variable (PC im Micro-Code) wird in Schleife durchlaufen
  • endet bei 0 im Fetch-Zyklus

Bedingte Sprünge

• Bedingter Sprung JGE (Jump on greater or equal)
  • in Abhängigkeit des Negative-Flags im Statusregisters (~15 Bit des ACC, ACC >=0 oder ACC <0) wird ein unterschiedlicher Zustand angesprungen
    • ? N = 0 (ACC >= 0)
      • PC = IR
    • ? N = 1 (ACC < 0)
      • keine Operation wird ausgeführt (NOP)
• Bedingter Sprung JNE (_Jump on not equal)
  • strukturell gleich, Zusatzbedingung:
    • Accumulator = Null (Zero-Flag = 1)

MU1-Steuerlogik für bedingte Sprünge

• Beide Befehle weisen 2 Zustände auf
  • unterscheiden sich durch Statusbits des Akkumulators
• Beide Zustände haben Schrittnummer 1 und Folgeschritt 0
• Funktion NOP ist gekennzeichnet
  • kein Registerinhalt wird verändert
    • Alle Register haben oe und ie auf 0
  • Speicher wird nicht angesprochen
    • MEMrq = 0
• 

Der Stop-Befehl

• hat als Folgezustand stop
• kein Fetch-Zyklus mehr
  • Zustandsmaschine wird in der Stellung angehalten
• 

Reset

• Zustandsmaschine geht in Zustand reset
  • PC = 0
  • Step = 0
• Beendigung des Reset-Signals mit dem fetch fortgefahren und Befehl von Adresse 0 wiederholt
• 

Zusammenfassung

• Funktionen ALU
• Neue Register Stackpointer, Din, Dout
• Micro-Programm-Counter Step
• Fetch-Zyklus
• Micro Programm + Micro Codes + Zustandsautomaten für LDA, ADD, Push, JGE, Stop, Reset
• Direkt und indirekte Adressierung
• Stack, Unterprogramme
• Beschreibung der Microcode-Funktion durch einfache Sprache
• Zentrales Register: ACC → Akkumulator-Architektur