Universelle Registermaschine

transcript

Universelle RegistermaschineUniverselle Registermaschine

Klaus Becker2003

eProgrammierbare SystemeProgrammierbare Systeme

eTeil 1 Teil 1

Universelle Registermaschine als Rechnermodell

eRegistermaschineRegistermaschine

0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1> 4 JMP 1 5 HLT

0: 51: 32: 03: 04: 0..

Speicher (Registern)

RegisterAdresse BefehlProgr.zähler

Verarbeitungseinheit

eRegistermaschinenbefehleRegistermaschinenbefehle

> x INC i Erhöhe Register i um 1.Gehe zu Zeile x+1.

> x DEC i Erniedrige Register i um 1.Gehe zu Zeile x+1.

> x JMP i Gehe zu Zeile i.

> x TST iWenn Register i ungleich 0 ist, dann gehe zu Zeile x+1, sonst zu Zeile x+2.

> x HLT Beende die Bearbeitung.

eRegistermaschine in AktionRegistermaschine in Aktion

> 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: 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..

eEinfache RegistermaschineEinfache Registermaschine

> 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT

0: 51: 32: 03: 04: 0..

Registermaschine als programmgesteuertes SystemRegistermaschine als programmgesteuertes System

Programm

Eine Registermaschine bearbeitet beliebig eingebbare Daten nach einem fest vorgegebenen Programm.

eUniverselle RegistermaschineUniverselle Registermaschine

Universelle Registermaschine als programmierbares SystemUniverselle Registermaschine als programmierbares System

Eine universelle Registermaschine bearbeitet beliebig eingebbare Daten nach einem beliebig vorgegebenen Programm.

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

Speicher (Registern)

Verarbeitungseinheit

eVereinheitlichung von Programm und Vereinheitlichung von Programm und

DatenDaten

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

0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

KodierungKodierung

INC: 1

DEC: 2

JMP: 3

TST: 4

HLT: 5CPU

eRechnerarchitektur (nach von Rechnerarchitektur (nach von

Neumann)Neumann)

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

PC IR 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

Arbeitsspeicher Steuerwerk

eBefehl holenBefehl holen

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

PC IR 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

0 3 0003

eBefehl dekodieren und ausführenBefehl dekodieren und ausführen

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

PC IR 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

3 3 0003

eFundamentalzyklusFundamentalzyklus

Wiederhole

Befehl holen (fetch-Phase)

Befehl dekodieren und ausführen (execute-Phase)

Wiederhole

Befehl holen (fetch-Phase)

Befehl dekodieren und ausführen (execute-Phase)

eSteueralgorithmusSteueralgorithmus

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 holen

JMP-Befehl ausführen

TST-Befehl ausführen

INC-Befehl ausführen

Befehl dekodieren

Wiederhole

Befehl holen

Befehl dekodieren und ausführen

Wiederhole

Befehl holen

Befehl dekodieren und ausführen

eSteuerung durch ein MikroprogrammSteuerung durch ein Mikroprogramm

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 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

eTeil 2 Teil 2

Entwicklung einer universellen Registermaschine

eZielsetzungZielsetzung

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

eSchritt 1: Akku-RegisterSchritt 1: Akku-Register

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

eRegister-BausteinRegister-Baustein

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

hades.models.rtlib.register.RegRE

eRegistertestRegistertest

hades.models.rtlib.io.OpinVector

hades.models.rtlib.io.IpinVector

eSchritt 2: RechenwerkSchritt 2: Rechenwerk

Mit Hilfe des Rechenwerkes sollen Inkrementier- und Dekrementieroperationen ausgeführt werdenMit Hilfe des Rechenwerkes sollen Inkrementier- und Dekrementieroperationen ausgeführt werden

Rechenwerk

eRechenwerkRechenwerk

hades.models.rtlib.arith.Decr hades.models.rtlib.arith.Incr

hades.models.rtlib.muxes.Mux21

eSchritt 3: ArbeitsspeicherSchritt 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 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

Arbeitsspeicher

Rechenwerk

eRAM-BausteinRAM-Baustein

nCS: nCS = 0: (notChipSelect) RAM-Baustein aktiv nWE: nWE = 0: DIN adressiertes Register

nWE = 1: adressiertes Register DOUT

A: Adress-EingangDIN: Daten-Eingang

DOUT: Daten-Ausgang

hades.models.rtlib.memory.RAM

eRAM-TestRAM-Test

RAM Akku Akku RAM

eSchritt 4: DatenbusSchritt 4: Datenbus

Der Datenaustausch zwischen dem Arbeitsspeicher und dem Akku-Register soll über einen Datenbus erfolgen.

Rechenwerk

Datenbus

0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

Arbeitsspeicher

eDatenbusDatenbus

Datenbus Datenbus

RAM Akku Akku RAM

eTorsteuerungTorsteuerung

Datenbus

hades.models.rtlib.muxes.TriBuf

etri-state-Verhaltentri-state-Verhalten

hochohmig

S = 0: passiv

S = 1: aktiv (durchlassen)

eSchritt 5: Befehlsregister und Schritt 5: Befehlsregister und

AdressbusAdressbus

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

IR 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

Arbeitsspeicher

3 0003

eBefehlsregisterBefehlsregister

Datenbus

Adressbus

BefehlsregisterBefehlsregister

Speicher

Bussplitter

eBefehlsregisterBefehlsregister

hades.models.rtlib.register.RegREhades.models.rtlib.register.RegRE

eBussplitterBussplitter

hades.models.rtlib.io.BusTapBottomhades.models.rtlib.io.BusTapBottom

eBussystemBussystem

8-Bit-Datenbus

4-Bit-Adressbus

Speicher mit 16 8-Bit-Registern

eSchritt 6: ProgrammzählerSchritt 6: Programmzähler

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

IR 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

Arbeitsspeicher

3 0003

eProgrammzählerProgrammzähler

Adressbus

Datenbus

Programmzähler

eSchritt 7: ProgrammbeendungSchritt 7: Programmbeendung

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

IR 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

Arbeitsspeicher

3 0003

eNullentdeckungNullentdeckung

Datenbus

hades.models.rtlib.compare.CompareEqual

eSchritt 8: SteuerwerkSchritt 8: Steuerwerk

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

IR 0: 3 0003 1: 1 0007 2: 2 0008 3: 4 0008 4: 3 0001 5: 5 0000 6: 0 0000 7: 0 0005

8: 0 0003 .. 0 0000

3 0003

eSteuerwerkSteuerwerk

Steuerwerk

Steuersignal

eMikroprogrammMikroprogramm

Mikroprogramm

Befehl holen0 101 10, 3, 112 0, 2

INC ausführen10 1211 12, 3, 712 12, 513 12, 4, 8, 1314 0, 1

eAusführung des MikroprogrammsAusführung des Mikroprogramms

MikroprogrammzählerMikroprogrammzähler

Befehl holen0 101 10, 3, 112 0, 2

INC ausführen10 1211 12, 3, 712 12, 513 12, 4, 8, 1314 0, 1

eFunktionseinheitenFunktionseinheiten

Programmzähler Befehlsregister

Rechenwerk

Arbeitsspeicher

Akkumulator

Steuerwerk

Datenbus

Adressbus

eFunktionseinheitenFunktionseinheiten

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

eLiteraturhinweiseLiteraturhinweise

Klaus Merkert, Walter Zimmer: Handbuch zum Bonsai-Lehrcomputer. 1994.

Siehe auchhsg.kaiserslautern.de/faecher/inf/material/bonsai

Universelle Registermaschine

Documents