Klausur Einführung in die Rechnerarchitektur

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1 Klausur Einführung in die Rechnerarchitektur Prof. Dr. Arndt Bode Wintersemester 2015/ Februar 2016 Name: Vorname: Matrikelnummer: Geburtsdatum: Hörsaal: Platz: Unterschrift: Ergebnis: Aufgabe Ges. Note Punkte Korrektur 1

2 Hinweise zu den Aufgaben Die Bearbeitungszeit beträgt 120 Minuten. Es sind keinerlei Hilfsmittel zugelassen, auch keine Taschenrechner. Versehen Sie dieses Angabenblatt auf der Titelseite mit Ihrem Namen, Vornamen und Matrikelnummer, sowie Geburtsdatum, Hörsaal und Platznummer. Vergessen Sie nicht die Unterschrift! Diese Angabe umfasst 29 bedruckte Seiten (inklusive Deckblatt). Außerdem erhalten Sie die folgenden Merkblätter: Anlage I: Die wichtigsten Befehle und ihre Operanden Anlage II: Mikroprogrammierung Anlage III: Die wichtigsten VHDL Konstrukte Alle Lösungen sind in dieses Heft einzutragen. Sollte der vorgesehene Platz nicht ausreichen, so finden Sie am Ende weitere Blätter. Sollten auch diese nicht ausreichen, wenden Sie sich bitte an die Aufsichten. Notizpapier wird auf Ihre Anfrage ausgegeben. Die Verwendung von eigenem Papier ist nicht gestattet. Lösungen auf Notizpapier werden nicht gewertet! 2

3 Aufgabe 1 - Maschinennahe Programmierung 1.1 Rechnerarchitektur Architektur Was ist der grundlegende Unterschied beim Speicherzugriff zwischen CISC- und RISC-Architekturen? 1.2 Programmverständnis Speicherlayout Welchen Wert enthält das Register A nach der gegebenen Befehlsfolge? marke : dd 0x mov ax, [ marke ] Statusregister Geben Sie den Wert des Übertrag- (carry), des Überlauf- (overflow), des Vorzeichen- (sign) und des Null-Indikators (zero flag) im Statusregister nach jedem Schritt dieser sequentiell ausgeführten Befehlsfolge an (Möglichkeiten sind gesetzt /1, gelöscht /0 und unbekannt /?): Befehlsfolge Carry Overflow Sign Zero mov eax,-120 push ax cmp al,0 add al,140 3

4 1.3 Befehle Bitmodifikationen Modifizieren Sie das Register A möglichst effizient, so dass nach Ausführung Ihres Codes die Bits an ungeraden Positionen (1,3,5,... ) unverändert und die Bits an geraden Positionen (0,2,4,... ) auf 0 gesetzt sind MOVSB Schreiben Sie ein per CALL aufrufbares Unterprogramm MYMOVSB, welches die Effekte des MOVSB-Befehles imitiert: Das Byte an der in Register ESI enthaltenen Speicheradresse wird an die in Register EDI enthaltene Speicheradresse kopiert. Die Quell- und Zieladressen in ESI und EDI werden weitergeschaltet. Außer ESI, EDI, EIP und dem Statusregister werden keine weiteren Register verändert. 4

5 1.4 Programmentwicklung Es sollen Steuerroutinen zur Anzeige eines Temperaturwertes auf einer Leuchtbandanzeige entwickelt werden. [ Byte 1 ][ Byte 0 ] Das Leuchtband besteht aus 16 Leuchtsegmenten, welche mittels Bitmuster in zwei nebeneinanderliegenden Bytes angesteuert werden. Diese 16 Elemente repräsentieren einen Temperaturbereich zwischen 10 C und +53 C. Jedes Leuchtelement entspricht einem Temperaturbereich von 4 C. Außer den explizit genannten Rückgaberegistern sollen keine Register nach außen sichtbar verändert werden. Achten Sie in jeder Teilaufgabe auf eine korrekte Sicherung und Wiederherstellung von temporär genutzten Registern Umrechnung Schreiben Sie ein per CALL aufrufbares Unterprogramm scale_temp, welches, abhängig von einem übergebenen Temperaturwert, die Anzahl E an zu aktivierenden Leuchtelementen zurückgibt. Bei Temperaturwerten unter 10 C und über +53 C soll als Fehlerindikator 0 zurückgegeben werden. E = T = T Der Eingabewert (Temperatur) wird im Register AL übergeben. Der Rückgabewert (Anzahl E der Elemente) soll im Register AH abgelegt werden. 5

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7 1.4.2 Bitmuster erstellen Schreiben Sie ein per CALL aufrufbares Unterprogramm build_bitpattern, welches ein Bitmuster zur Anzeige auf einem Leuchtband erstellt, wie in der Grafik zu 2.4 dargestellt. Bei ungültigen Eingabewerten soll als Fehlerindikator das Muster b zurückgegeben werden. Dieses Programm soll auf die Verwendung einer Schleife verzichten und das Register mittels Shift-Befehlen füllen. 1 <= gültiger Eingabewert <= 16 Der Eingabewert (Anzahl an Elementen) wird im Register AH übergeben. Der Ausgabewert (Bitmuster) soll im Register B abgelegt werden. 7

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9 1.4.3 Leuchtbandsteuerung Schreiben Sie ein per CALL aufrufbares Unterprogramm drive_striplight, welches einen übergebenen Temperaturwert auf dem oben beschriebenen Leuchtband darstellt. Dazu soll dieses Unterprogramm auf die zuvor entwickelten Unterprogramme scale_temp und build_bitpattern zurückgreifen, die unabhängig von einer erfolgreichen Lösung weiter oben hier als gegeben angenommen werden dürfen. Der Eingabewert (Temperatur) wird im Register AL übergeben. Die Ausgabebytes sind im Assembler-Code folgendermaßen hinterlegt worden: striplight_address: resb 2 9

10 Aufgabe 2 - Mikroprogrammierung Sie haben ein Merkblatt mit einer Kurzbeschreibung der mikroprogrammierbaren Maschine erhalten, in welchem Sie alle zur Lösung der Aufgabe notwendigen Angaben finden, z. B. die Beschreibung des Mikroinstruktionsformats und die Funktionstabellen der Bausteine. Das Mikroprogramm IFETCH, abgelegt ab Adresse 0x000 des Mikroprogrammspeichers, kann als gegeben betrachtet werden. Es holt den nächsten Maschinenbefehl aus dem Hauptspeicher in das Instruktionsregister, inkrementiert den Befehlszähler und springt das dem Befehls-Opcode zugehörige Mikroprogramm an. IFETCH benötigt 3 Takte zur Ausführung. Mikroprogramme müssen am Ende wieder zum Anfang des Mikroprogramms IFETCH zurückspringen. Hexadezimale Zahlen werden in Java- bzw. C-Schreibweise dargestellt und beginnen mit der Buchstabenkombination 0x, z.b: 0x1234, 0x011A oder 0xBEEF. Moderne Prozessoren besitzen Maschinenbefehle für Vektoroperationen, die dieselbe Operation auf allen Elementen eines Vektors ausführt. Im Folgenden werden Vektoroperationen für die MI-Maschine eingeführt, die auf einem neuen Register V arbeiten, welches zwei 16-Bit Elemente enthält und intern mit Hilfe der Register r10 und r11 implementiert wird: V=(r10, r11). Folgende Maschinenbefehle sind gegeben: Opc. Befehl Beschreibung 0x10 MOV imm1,rb Lädt das Register RB mit imm1. 0x20 INC RB Erhöht den Inhalt von RB um 1 (RB = RB + 1). Die Flags des Maschinenstatusregisters werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt. 0x21 DEC RB Vermindert den Inhalt von RB um 1 (RB = RB - 1). Die Flags des Maschinenstatusregisters werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt. 0x28 INC2 RB Erhöht den Inhalt von RB um 2 (RB = RB + 2). Die Flags des Maschinenstatusregisters werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt. 0x29 DEC2 RB Vermindert den Inhalt von RB um 2 (RB = RB - 2). Die Flags des Maschinenstatusregisters werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt. 0x31 JNZ adr Bedingter Sprung nach adr, wenn das Zero-Flag im Maschinenstatusregister nicht gesetzt ist. 10

11 Opc. Befehl Beschreibung 0x40 ADD RA, RB Addiert den Inhalt des Registers RA zum Inhalt von Register RB, und speichert das Ergebnis in Register RB. Die Flags des Maschinenstatusregisters werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt. 0x41 ADD [RA], RB Addiert den Inhalt der Speicherzelle, dessen Adresse in RA steht, zum Inhalt von Register RB, und speichert das Ergebnis in Register RB. Die Flags des Maschinenstatusregisters werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt. 0x71 VLOAD imm1, imm2 Lädt das Vektorregister V mit den Werten imm1 und imm2: V = (imm1, imm2). 0x74 VSTORE RA, RB Speichert die beiden Elemente des Vektorregisters V in die Register RA und RB: (RA, RB) = V. 0x79 VADD [RA] Auf die Elemente des Vektorregisters V werden die Inhalte zweier aufeinanderfolgender Speicherzellen, die an Adresse RA beginnen, addiert: V = V + ([RA], [RA+1]). Die Flags des Maschinenstatusregisters bleiben unverändert. Anmerkung: Die Bezeichnung RA (bzw. RB ) steht hier abkürzend für das durch das A-Registeradressfeld (bzw. B-Registeradressfeld) des Maschinenbefehlswortes adressierte Register. 2.1 Welche der oben angegebenen Befehle belegen a) 16 Bit b) 32 Bit c) 48 Bit im Hauptspeicher? Bitte geben Sie die jeweiligen Opcodes an. 11

12 2.2 Folgende zwei Maschinenprogramme sind gegeben: (a) VLOAD 0,0 schleife: VADD [r1] INC2 r1 DEC2 r0 JNZ schleife VSTORE r2,r3 ADD r3,r2 (b) MOV 0,r2 schleife: ADD [r1],r2 INC r1 DEC r0 JNZ schleife Gegeben sei die Belegung von 8 aufeinanderfolgenden Speicherstellen ab Adresse 0x100 mit den 8 Werten (1,2,3,4,5,6,7,8) sowie r0=8, r1=0x Welche Werte stehen nach Ausführung des Maschinenprogramms (a) im Vektorregister V (beide Elemente) und im Register r2? Welche Bedingungen an die Eingabedaten (Register r0, r1 und Feldwerte) müssen erfüllt sein, damit die Programme dasselbe Ergebnis in r2 berechnen? Welche Aufgabe führen die Programme aus, wenn sie dasselbe Ergebnis liefern? 12

13 2.2.4 Geben Sie für die vorgegebenen Eingabedaten an, wieviele Speicherzugriffe die Ausführung von (a) und (b) benötigen. Berücksichtigen Sie dabei IFETCH. (a) (b) 2.3 Zeigen Sie, wie das gegebene Assemblerprogramm in hexadezimaler Codierung aussieht. Adresse Inhalt Befehl 0x0100 VLOAD 0,0 schleife: VADD [r1] INC2 r1 DEC2 r0 JNZ schleife VSTORE r2,r3 ADD r3,r2 13

14 2.4 Folgende Maschinenbefehle sollen nun durch ein Mikroprogramm realisiert werden. INC2 RB JNZ adr VADD [RA] Vervollständigen Sie die Tabellen auf den Seiten 18/19. Die Tabelle enthält Reservezeilen für einen zweiten Lösungsversuch. Streichen Sie falsche Lösungen deutlich durch! Bitte tragen Sie keine binären Werte ein, sondern verwenden Sie die Abkürzungen aus dem Merkblatt MI (in der Anlage). 14

15 IE I3 I2 I1 I0 KMU K15 K14 K13 K12 K11 K10 K9 K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 K0 I2 I1 I0 I5 I4 I3 I8 I7 I6 A3 A2 A1 A0 ASEL B3 B2 B1 B0 BSEL Interrupt Konstante Src Func Dest RA Addr RB Addr INC2 RB DIS DIS Adr. JNZ adr DIS DIS NOP NOP DIS NOP VADD [RA] DIS DIS DIS DIS INC2 RB DIS DIS Adr. JNZ adr DIS DIS NOP NOP DIS NOP VADD [RA] DIS DIS DIS DIS 15

16 ABUS* DBUS* I12 I11 I9 I8 I7 I6 CEMUE* CEM* I5 I4 I3 I2 I1 I0 CCEN* I3 I2 I1 I0 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 BZ_LD* BZ_ED* BZ_INC* BZ_EA* IR_LD* MWE* Y- CIN Schiebe- Statusregister AM2910 Direktdaten MU MU steuerung Test Befehle H H H H H H H R H H H H H R H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H R H H H H H R H H H H H H H H H H H H H H H H H H 16

17 Aufgabe 3 - Rechnergestützter Schaltungsentwurf 3.1 Zahlkodierungen Die Zahlen n {0, 1,..., 7} sollen in drei verschiedenen binären Kodierungen dargestellt werden: Dualsystem, n = 4 a a 1 + a 0 { 1-aus-n-Code, b i = 1 i = n 0 i n Thermometerkodierung, c i = { 1 i n 0 i > n Ergänzen Sie die Wertetabelle! Hinweis: Es reicht aus, nur die Einser zu markieren. n a 2 a 1 a 0 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 c 7 c 6 c 5 c 4 c 3 c 2 c 1 c Entwerfen Sie ein Schaltnetz, das b 1 aus (b 7, b 6,..., b 2, b 0 ) berechnet! b 0 b 2 b 3 b 4 b 1 b 5 b 6 b 7 17

18 3.1.3 Kann man c 1 aus (c 7, c 6,..., c 2, c 0 ) berechnen? Falls dies möglich ist, geben Sie eine passende Formel an, andernfalls begründen Sie, warum es unmöglich ist! Geben Sie eine konjunktive Normalform (KNF) für c 5 mit den Eingängen a 0 bis a 2 an! Geben Sie eine disjunktive Normalform (DNF) für c 3 mit den Eingängen a 0 bis a 2 an! Erstellen Sie eine VHDL-Architecture, die a aus b berechnet! Ein passendes entity onehot2bin, das den Ausgang a und den Eingang b als std_logic_vector definiert, kann als gegeben angenommen werden. 18

19 3.2 Mikroprozessor-Leitwerk Es soll ein Leitwerk für einen einfachen Mikroprozessor entwickelt werden. An Stelle eines Mikroprogramms soll ein endlicher Zustandsautomat verwendet werden. Dieser hat die Ausgänge ba, bi, bl, il (jeweils ein Bit) und a (3 Bit) sowie die Eingänge i (2 Bit) und c (1 Bit). Des Weiteren verfügt er über einen asynchronen Reseteingang rst sowie einen Takteingang clk. Nach einem Reset beginnt der Automat mit dem ersten Takt des ersten Maschinenbefehls. Erläuterung (nicht zum Lösen der Aufgabe erforderlich): ba, bi, bl, il und c entsprechen den Signalen BZ_EA, BZ_INC, BZ_LD, IR_LD und CC in der MI-Maschine aus der Vorlesung. Der Ausgang a kann als eine Kodierung der ALU-Signale interpretiert werden. Die ersten drei Takte entsprechen genau IFETCH. Die zu implementierenden Befehle könnten in der Assemblersyntax der MI-Maschine beispielsweise NOP; ADD RA, RB; MOV imm, RB und JNZ addr sein Erstellen Sie die VHDL-Entity des Bausteins! Halten Sie sich an die vorgegebenen Signalnamen. 19

20 Alle Ausgangsbits sollen in jedem Zustand auf den Wert 0 gesetzt werden, falls sie in der Beschreibung des jeweiligen Taktes nicht erwähnt werden. Eine Maschineninstruktion wird in drei bis fünf Takten ausgeführt, wobei in den ersten drei Takten immer die selben Aktionen durchgeführt werden: erster Takt: ba = 1 zweiter Takt: bi = il = 1 dritter Takt: alle Ausgänge auf 0, am Eingang i liegt eine Kodierung des auszuführenden Befehls an. Die anschließenden Takte sind abhängig von dem auszuführenden Befehl: i = 00 i = 01 i = 10 i = 11 keine Operation: Auf den dritten Takt folgt direkt der erste Takt des nächsten Befehls. ALU-Operation: Im vierten Takt ist a = 001. ALU-Operation mit Konstante: Im vierten Takt ist a = 010 und ba = 1, im fünften Takt ist a = 011 und bi = 1. Bedingter Sprung: Im vierten Takt ist a = 100 und ba = 1. Der fünfte Takt hängt vom Wert am Eingang c im vierten Takt ab: c = 0: bi = 1 c = 1: bl = Setzen Sie in der folgenden Tabelle für jeden Zustand die korrekten Ausgangswerte ein! Zustand Kommentar ba bi bl il a 0000 Takt 1 (alle Befehle) 0001 Takt 2 (alle Befehle) 0010 Takt 3 (alle Befehle) 0011 Takt 4, Befehl Takt 4, Befehl Takt 5, Befehl Takt 4, Befehl Takt 5, Befehl 11, c = Takt 5, Befehl 11, c = 1 20

21 gray Zeichnen Sie das Zustandsübergangsdiagramm ( Blasendiagramm ) des Bausteins! Hinweis: Falls Sie die Zustandskodierung aus der Tabelle in der vorherigen Aufgabe verwenden, müssen Sie die Ausgänge des Automaten im Diagramm nicht aufführen, da diese aus der Tabelle abgelesen werden können. 21

22 3.2.4 Erstellen Sie die VHDL-Architecture des Bausteins! Hinweis: Bei diesem Automaten bietet es sich an, in einem Prozess die Zustandsübergänge zu beschreiben und die Ausgangszuweisung in einem separaten Prozess oder concurrent statements zu erledigen. 22

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25 Zusätzlicher Platz für Lösungen - Bitte immer Aufgabennummer angeben! Lösung für Aufgabe... 25

26 Lösung für Aufgabe... 26