Universelle RegistermaschineUniverselle Registermaschine

Klaus Becker2003

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eProgrammierbare SystemeProgrammierbare Systeme

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eTeil 1 Teil 1

Universelle Registermaschine als Rechnermodell

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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

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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.

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em

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..

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em

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

Daten

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

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eUniverselle RegistermaschineUniverselle Registermaschine

Universelle Registermaschine als programmierbares SystemUniverselle Registermaschine als programmierbares System

Daten

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

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eVereinheitlichung von Programm und Vereinheitlichung von Programm und

DatenDaten

CPU

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

Daten

Programm

Daten

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

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em

eRechnerarchitektur (nach von Rechnerarchitektur (nach von

Neumann)Neumann)

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

Akku

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

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em

eBefehl holenBefehl holen

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

Akku

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

0 3 0003

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syst

em

eBefehl dekodieren und ausführenBefehl dekodieren und ausführen

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

Akku

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

3 3 0003

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em

eFundamentalzyklusFundamentalzyklus

Wiederhole

Befehl holen (fetch-Phase)

Befehl dekodieren und ausführen (execute-Phase)

Wiederhole

Befehl holen (fetch-Phase)

Befehl dekodieren und ausführen (execute-Phase)

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em

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

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em

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

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syst

em

e

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syst

em

eTeil 2 Teil 2

Entwicklung einer universellen Registermaschine

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em

eZielsetzungZielsetzung

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

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

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syst

em

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.

Akku

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em

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

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eRegistertestRegistertest

hades.models.rtlib.io.OpinVector

hades.models.rtlib.io.IpinVector

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Sch

alt

syst

em

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

Akku

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em

eRechenwerkRechenwerk

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

hades.models.rtlib.muxes.Mux21

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Sch

alt

syst

em

eSchritt 3: ArbeitsspeicherSchritt 3: Arbeitsspeicher

Die im Akku-Register zu verarbeitenden Daten sollen aus einem Arbeitsspeicher geholt und wieder gespeichert werden.

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

Akku

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syst

em

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

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syst

em

eRAM-TestRAM-Test

RAM Akku Akku RAM

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Sch

alt

syst

em

eSchritt 4: DatenbusSchritt 4: Datenbus

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

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

Rechenwerk

Datenbus

Akku

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

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Sch

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syst

em

eDatenbusDatenbus

Datenbus Datenbus

RAM Akku Akku RAM

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alt

syst

em

eTorsteuerungTorsteuerung

Datenbus

hades.models.rtlib.muxes.TriBuf

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Sch

alt

syst

em

etri-state-Verhaltentri-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)

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Sch

alt

syst

em

eSchritt 5: Befehlsregister und Schritt 5: Befehlsregister und

AdressbusAdressbus

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

Akku

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

32

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Sch

alt

syst

em

eBefehlsregisterBefehlsregister

Datenbus

Adressbus

BefehlsregisterBefehlsregister

Speicher

Reset

Bussplitter

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syst

em

eBefehlsregisterBefehlsregister

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

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alt

syst

em

eBussplitterBussplitter

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

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Sch

alt

syst

em

eBussystemBussystem

8-Bit-Datenbus

4-Bit-Adressbus

BefehlsregisterBefehlsregister

Speicher mit 16 8-Bit-Registern

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Sch

alt

syst

em

eSchritt 6: ProgrammzählerSchritt 6: Programmzähler

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

Akku

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

PC 0

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syst

em

eProgrammzählerProgrammzähler

Adressbus

Datenbus

BefehlsregisterBefehlsregister

Programmzähler

38

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Sch

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syst

em

eSchritt 7: ProgrammbeendungSchritt 7: Programmbeendung

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

Akku

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

PC 0

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syst

em

eNullentdeckungNullentdeckung

Datenbus

hades.models.rtlib.compare.CompareEqual

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Sch

alt

syst

em

eSchritt 8: SteuerwerkSchritt 8: Steuerwerk

Rechenwerk

Datenbus

Adressbus

Akku

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

3 0003

PC 0

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eSteuerwerkSteuerwerk

Steuerwerk

Steuersignal

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eMikroprogrammMikroprogramm

Mikroprogramm

Befehl holen0 101 10, 3, 112 0, 2

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

...

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em

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

...

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syst

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eFunktionseinheitenFunktionseinheiten

Programmzähler Befehlsregister

Rechenwerk

Arbeitsspeicher

Akkumulator

Steuerwerk

Datenbus

Adressbus

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syst

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eFunktionseinheitenFunktionseinheiten

Rechenwerk

Arbeitsspeicher Steuerwerk

Datenbus

Adressbus

Akku

PC IR

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alt

syst

em

eLiteraturhinweiseLiteraturhinweise

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

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