Mikrocomputertechnik. Einadressmaschine

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1 technik Einadressmaschine

2 Vorlesung 2. Mikroprozessoren Einführung Entwicklungsgeschichte Mikroprozessor als universeller Baustein Struktur Architektur mit Akku ( Nerdi) FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 2

3 Struktur Prozessor als digitale Schaltung Rechenwerk / ALU Die ALU benötigt die Funktionen: ADD mem Addition SUB mem Subtraktion LOAD mem Akku laden Annahmen: 1. Eine 8-Bit ALU ist eine Kombination von 8 1-Bit ALUs 2. Alle 3 Funktionen können mit einem Addierwerk realisiert werden. FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 3

4 Struktur Prozessor als digitale Schaltung Halbaddierer A S BA S C HA B C DNF: S = A & /B + /A & B (XOR) C = A & B (AND) FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 4

5 Struktur Prozessor als digitale Schaltung Halbaddierer A A S =1 HA B C B & S C FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 5

6 Struktur Prozessor als digitale Schaltung Volladdierer = Addierer mit Carry-Eingang A HA A B VA S B C-in C-out C-in HA 1 S C-out FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 6

7 Struktur Prozessor als digitale Schaltung Mehrstufenaddierer ( ripple carry Form) A n A 3 A 2 A 1 A 0 B n B 3 B 2 B 1 B 0 C n -out VA VA VA VA VA C 0 -in S n S 3 S 2 S 1 S 0 S = A + B mit C 0 -in = 0, C n -out Statusbit Carry Carry FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 7

8 Struktur Prozessor als digitale Schaltung Akku laden = Addition 0 + B = B A & B Steuerleitung ctrl1: 0 entsp. laden 1 entsp. addieren C-out VA C-in = 0 Akku FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 8

9 Struktur Prozessor als digitale Schaltung subtrahieren = Addition A + (-B) = A B A B =1 Steuerleitung ctrl2: 0 entsp. addieren 1 entsp. subtrahieren C-out VA C-in = 1 Akku FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 9

10 Struktur Prozessor als digitale Schaltung 8-Bit ALU ctrl1 ctrl2 ADD 1 0 SUB 1 1 LOAD 0 0 A 7 B 7 A 6 B 6 A 1 B 1 A 0 B 0 ctrl1 & =1 & =1 & =1 & =1 ctrl2 Status C VA VA VA VA Akku 7 Akku 6 Akku 1 Akku 0 FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 10

11 Struktur Prozessor als digitale Schaltung Struktur eines 16/32-Bit Prozessors Registersatz D (Daten) Registersatz A (Adressen) Operand 1 OR1 32 ALU PSR 32 Rechenwerk Operand 2 OR2 32 Treiber 16 Datenbus IDB PC +2 AR IR Programmzähler OPC QU2/ZI MODE2 MODE1 QU1 Operandenadresse Adressbus m Steuerlogik 4 RAB n Leitwerk Clock Steuerbus FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 11

12 Vorlesung 2. Mikroprozessoren Einführung Entwicklungsgeschichte Mikroprozessor als universeller Baustein Struktur Architektur mit Akku ( Nerdi) FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 12

13 Nerdi Programme mit Nerdi Blinken der Carry / Zero Lampen, abwechselnd Carry: >256 Carry = 1 Zero = 0 Zero: Carry = 0 Zero = 1 Programm loop load wert ; c=0, z=0 od. 1 add wert ; c=1, z=0 load wert ; c=1, z=0 sub wert ; c=0, z=1 jmp loop ; Endlosschleife halt wert db 81 ; 81h entspr. 129 end FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 13

14 Nerdi Programme mit Nerdi Blinken der Carry / Zero Lampen, gleichzeitig Carry = 1 Zero = Carry = 0 Zero = 0 Programm loop load wert add wert ; c=1, z=1 add eins ; c=0, z=0 jmp loop ; Endlosschleife halt wert db 80 ; 80h entspr. 128 eins db 01 end FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 14

15 Nerdi Programme mit Nerdi aufsteigendes Sortieren zweier Zahlen z.b.: 49 a5 49 a5; a a5 Programm start sa nein z1>z2? xchg ja tmp = z1 z1 = z2 z2 = tmp ok halt FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 15

16 Nerdi start load z2 sub z1 ; c=1 wenn z1>z2 jmpc xchg ; dann: tauschen ok halt ; sonst: fertig tmp db 00 ; Hilfsvariable xchg load z1 ; Inhalte z i tauschen stor tmp load z2 stor z1 load tmp stor z2 jmp ok z1 db a5 ; zu sortierende Zahlen z2 db 49 end FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 16

17 Nerdi Steuerwerk Steuerleitungen ctrl1 / ctrl2 ALU Mode PC+ PC inkrementieren PCin PC von Adressteil des IR laden PCout PC auf Adressbus legen IRout IR Adressteil auf Adressbus legen IRin IR von Datenbus laden AkkuIn Ergebnis von ALU in Akku laden AkkuALU Akkuinhalt an ALU anlegen AkkuDB Akkuinhalt auf Datenbus legen StatusIn Status von ALU in Statusregister laden R/W Read/Write Signal für Speicher FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 17

18 Nerdi StatusIn AkkuIn Status (C, Z) ALU Akku Speicher ctrl1/2 Befehlsdecoder IRin Befehlsreg. OP Adresse IRout AkkuALU PC+ +1 AkkuDB Datenbus PCin Bef.zähler PCout Adressbus R/W Treiber Treiber Treiber FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 18

19 Nerdi Zustand Steuerung Folgezustand Aktion/OpCode 0 PCout, Read 1 Befehl holen 1 IRin, PC+, Befehlsdecodierung ref. OPCode Bef. auswerten HALT 3 IRout, Read 4 LOAD 4 ctrl1/2=00, AkkuIn 0 5 IRout, Read, AkkuALU 6 ADD 6 ctrl1/2=10, AkkuIn, StatusIn 0 7 IRout, Read, AkkuALU 8 SUB 8 ctrl1/2=11, AkkuIn, StatusIn 0 9 IRout, AkkuDB, Write 0 STOR 10 PCin 0 JMP (C=1) / 0 JMPC (Z=1) / 0 JMPZ FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 19

20 Nerdi Reset 0 PCout Read Befehl holen 1 IRin, PC+ Befehl decodieren HALT JMPC LOAD 2 3 JMP IRout -- 0 Read C=1 0 C= ctrl1/2=00 PCin Befehl ausführen AkkuIn FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 20

21 Nerdi Steuerwerk Realisierung mit Hilfe eines Moore-Automaten Folgeadresse Bedingungen, OPCode Übergangsschaltnetz Zustandsspeicher Aus- gangsschaltnetz Steuer- leitun- gen Takt FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 21

22 Nerdi Steuerwerk ÜSN und ASN werden in ein ROM programmiert Folgeadresse Bedingungen, OPCode Ausgangsschaltnetz Zustandsspeicher Übergangsschaltnetz Steuer- leitun- gen Takt FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 22

23 Nerdi Steuerwerk ROM Mikroprogramm Folgeadresse (4) Carry Zero OPCode (3) Re egister (9) FA (4) Steuerleitungen 13 Zustände 4 Bits Signale (12) Takt PCin PC+ ctrl2 ctrl 1Takt R/W FH Augsburg, Fakultät für Elektrotechnik 23

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