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Universelle Registermaschine

Universelle Registermaschine. Klaus Becker 2003. Programmierbare Systeme. Teil 1. Universelle Registermaschine als Rechnermodell. Registermaschine. Adresse. Register. Progr.zähler. Befehl. 0: 5 1: 3 2: 0 3: 0 4: 0 .. . 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 > 4 JMP 1 5 HLT.

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Presentation Transcript

  1. Universelle Registermaschine Klaus Becker 2003

  2. Programmierbare Systeme

  3. Teil 1 Universelle Registermaschine als Rechnermodell

  4. Registermaschine Adresse Register Progr.zähler Befehl 0: 51: 32: 03: 04: 0.. 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1> 4 JMP 1 5 HLT Speicher (Registern) Verarbeitungseinheit

  5. Registermaschinenbefehle Erhöhe Register i um 1.Gehe zu Zeile x+1. > x INC i Erniedrige Register i um 1.Gehe zu Zeile x+1. > x DEC i > x JMP i Gehe zu Zeile i. Wenn Register i ungleich 0 ist, dann gehe zu Zeile x+1, sonst zu Zeile x+2. > x TST i > x HLT Beende die Bearbeitung.

  6. Registermaschine in Aktion 0: 51: 32: 03: 04: 0.. > 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0: 51: 32: 03: 04: 0.. 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1> 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0: 51: 32: 03: 04: 0.. 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1> 4 JMP 1 5 HLT 0: 51: 32: 03: 04: 0.. 0 JMP 3> 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0: 61: 32: 03: 04: 0.. 0 JMP 3 1 INC 0> 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0: 61: 22: 03: 04: 0.. 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1> 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT

  7. Einfache Registermaschine Registermaschine als programmgesteuertes System Daten Programm 0: 51: 32: 03: 04: 0.. > 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT Eine Registermaschine bearbeitet beliebig eingebbare Daten nach einem fest vorgegebenen Programm.

  8. Universelle Registermaschine Universelle Registermaschine als programmierbares System 0: JMP 3 1: INC 0 2: DEC 1 3: TST 1 4: JMP 1 5: HLT 0: 0 0005 1: 0 0003 .. 0 0000 Programm Daten Speicher (Registern) Verarbeitungseinheit Eine universelle Registermaschine bearbeitet beliebig eingebbare Daten nach einem beliebig vorgegebenen Programm.

  9. Vereinheitlichung von Programm und Daten 0: JMP 3 1: INC 0 2: DEC 1 3: TST 1 4: JMP 1 5: HLT 0: 0 0005 1: 0 0003 .. 0 0000 Programm Kodierung CPU INC: 1 DEC: 2 JMP: 3 TST: 4 HLT: 5 Daten 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 Programm CPU Daten

  10. Rechnerarchitektur (nach von Neumann) Adressbus 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 PC IR Arbeitsspeicher Steuerwerk Datenbus Akku Rechenwerk

  11. Befehl holen Adressbus 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 PC IR 0 3 0003 Arbeitsspeicher Steuerwerk Datenbus Akku Rechenwerk

  12. Befehl dekodieren und ausführen Adressbus 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 PC IR 3 3 0003 Arbeitsspeicher Steuerwerk Datenbus Akku Rechenwerk

  13. Fundamentalzyklus Wiederhole Befehl holen (fetch-Phase) Befehl dekodieren und ausführen (execute-Phase)

  14. Steueralgorithmus Wiederhole Befehl holen Befehl dekodieren und ausführen Befehl holen WIEDERHOLE PC  ABus; PC  ABus; RInhalt  DBus; DBus  IR; op := Operatorteil(IR); adr := Adressteil(IR) FALLS op 1: adr  ABus; adr  ABus; RInhalt  DBus; DBus  Akku; adr  ABus; upAkku; adr  ABus; Akku  DBus; DBus  RInhalt; IncPC; 2: // analog 3: adr ABus; ABus  PC; 4: adr  ABus; adr  ABus; Registerinhalt  DBus; WENN DBus = 0 DANN IncPC; IncPC; BIS op = 5 // HLT Befehl dekodieren INC-Befehl ausführen JMP-Befehl ausführen TST-Befehl ausführen

  15. Steuerung durch ein Mikroprogramm Befehl holen0 101 10, 3, 112 0, 2 INC ausführen10 1211 12, 3, 712 12, 513 12, 4, 8, 1314 0, 1 DEC ausführen20 1221 12, 3, 722 12, 623 12, 4, 8, 1324 0, 1 JMP ausführen 30 12, 931 0, 1 TST ausführen 40 1241 12, 342 12, 3, 1443 1344 0, 1 WIEDERHOLE PC  ABus; PC  ABus; RInhalt  DBus; Dbus  IR; op := Operatorteil(IR); adr := Adressteil(IR) FALLS op 1: adr  ABus; adr  ABus; RInhalt  DBus; DBus  Akku; adr  ABus; upAkku; adr  ABus; Akku  DBus; DBus  RInhalt; IncPC; 2: // analog 3: adr ABus; ABus  PC; 4: adr  ABus; adr  ABus; Registerinhalt  DBus; WENN DBus = 0 DANN IncPC; IncPC; BIS op = 5 // HLT

  16. Teil 2 Entwicklung einer universellen Registermaschine

  17. Zielsetzung Mit Hilfe vorgegebener Hardwarebausteinen soll ein einfacher, voll funktionsfähiger (Bonsai) Rechner entwickelt werden.

  18. Schritt 1: Akku-Register Wir beginnen mit dem Akku-Register. Der hier benutzte Akku soll 8-Bit-Dateneinheiten aufnehmen können. Akku

  19. Register-Baustein hades.models.rtlib.register.RegRE CLK: Takt-Eingang (Register reagiert b. steigender Taktflanke) NR: Reset-Eingang (NR = 0: Reset) ENA: Enable-Eingang (ENA = 1: Register bereit zum Lesen) D: Daten-Eingang Q: Daten-Ausgang

  20. Registertest hades.models.rtlib.io.IpinVector hades.models.rtlib.io.OpinVector

  21. Schritt 2: Rechenwerk Mit Hilfe des Rechenwerkes sollen Inkrementier- und Dekrementieroperationen ausgeführt werden Akku Rechenwerk

  22. Rechenwerk hades.models.rtlib.arith.Decr hades.models.rtlib.arith.Incr hades.models.rtlib.muxes.Mux21

  23. Schritt 3: Arbeitsspeicher Die im Akku-Register zu verarbeitenden Daten sollen aus einem Arbeitsspeicher geholt und wieder gespeichert werden. 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 Arbeitsspeicher Akku Rechenwerk

  24. RAM-Baustein hades.models.rtlib.memory.RAM nCS: nCS = 0: (notChipSelect) RAM-Baustein aktiv nWE: nWE = 0: DIN  adressiertes Register nWE = 1: adressiertes Register  DOUT A: Adress-Eingang DIN: Daten-Eingang DOUT: Daten-Ausgang

  25. RAM-Test RAM  Akku Akku  RAM

  26. Schritt 4: Datenbus Der Datenaustausch zwischen dem Arbeitsspeicher und dem Akku-Register soll über einen Datenbus erfolgen. 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 Arbeitsspeicher Datenbus Akku Rechenwerk

  27. Datenbus Datenbus Datenbus RAM  Akku Akku  RAM

  28. Torsteuerung hades.models.rtlib.muxes.TriBuf Datenbus

  29. tri-state-Verhalten S 0 0 1 1 E 0 1 0 1 A 0 0 0 1 S 0 0 1 1 E 0 1 0 1 A Z Z 0 1 hochohmig S = 0: passiv S = 1: aktiv (durchlassen)

  30. Schritt 5: Befehlsregister und Adressbus Adressbus 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 IR 3 0003 Arbeitsspeicher Datenbus Akku Rechenwerk

  31. Befehlsregister Adressbus Bussplitter Speicher Befehlsregister Befehlsregister Datenbus Reset

  32. Befehlsregister hades.models.rtlib.register.RegRE hades.models.rtlib.register.RegRE

  33. Bussplitter hades.models.rtlib.io.BusTapBottom hades.models.rtlib.io.BusTapBottom

  34. Bussystem 4-Bit-Adressbus Speicher mit 16 8-Bit-Registern Befehlsregister Befehlsregister 8-Bit-Datenbus

  35. Schritt 6: Programmzähler Adressbus 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 PC IR 0 3 0003 Arbeitsspeicher Datenbus Akku Rechenwerk

  36. Programmzähler Adressbus Programmzähler Befehlsregister Befehlsregister Datenbus

  37. Schritt 7: Programmbeendung Adressbus 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 PC IR 0 3 0003 Arbeitsspeicher Datenbus Akku Rechenwerk

  38. Nullentdeckung Datenbus hades.models.rtlib.compare.CompareEqual

  39. Schritt 8: Steuerwerk Adressbus 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 00006: 0 0000 7: 0 0005 8: 0 0003 .. 0 0000 PC IR 0 3 0003 Arbeitsspeicher Steuerwerk Datenbus Akku Rechenwerk

  40. Steuerwerk Steuersignal Steuerwerk

  41. Mikroprogramm Befehl holen0 101 10, 3, 112 0, 2 INC ausführen10 1211 12, 3, 712 12, 513 12, 4, 8, 1314 0, 1 ... Mikroprogramm

  42. Ausführung des Mikroprogramms Befehl holen0 101 10, 3, 112 0, 2 INC ausführen10 1211 12, 3, 712 12, 513 12, 4, 8, 1314 0, 1 ... Mikroprogrammzähler Mikroprogrammzähler

  43. Funktionseinheiten Programmzähler Befehlsregister Adressbus Arbeitsspeicher Datenbus Rechenwerk Steuerwerk Akkumulator

  44. Funktionseinheiten Adressbus PC IR Arbeitsspeicher Steuerwerk Datenbus Akku Rechenwerk

  45. Literaturhinweise Klaus Merkert, Walter Zimmer: Handbuch zum Bonsai-Lehrcomputer. 1994. Siehe auchhsg.kaiserslautern.de/faecher/inf/material/bonsai

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