FAKULTÄT FÜR INFORMATIK

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1 FAKULTÄT FÜR INFORMATIK TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Lehrstuhl für Rechnertechnik und Rechnerorganisation Prof. Dr. Arndt Bode Einführung in die Rechnerarchitektur Wintersemester 2016/2017 Zentralübung Mikroprogrammierung (1) Leitwerk und Maschinenbefehls Interpretationsschleife Inhalte: Von-Neumann-Konzept, Maschinenbefehls-Interpretationsschleife, Aufgaben und Funktion des Leitwerks, endliche Automaten Einführung In den vorangegangenen Übungen haben wir uns mit der Programmierung von Mikroprozessoren befasst. Sie haben dabei gelernt, einfache Maschinenbefehle zu verwenden, um daraus komplexe Programme zu formen. In den nächsten drei Übungen werden wir ein wenig in einen Prozessor hineinsehen und lernen, was dieser intern veranstaltet, wenn er die Befehle eines Maschinenprogramms ausführt. Um das Ganze nicht zu schwierig werden zu lassen, betrachten wir nicht einen Prozessor der 80x86-Serie, sondern beschränken uns auf einen sehr viel einfacheren Beispielrechner, der wie Sie feststellen werden immer noch kompliziert genug ist. Die Kenntnisse, die Sie in diesen Übungen erwerben, haben auch wenn Sie später keine hardwarenahe Tätigkeit ausüben eine ähnliche Bedeutung, wie das Wissen eines Autofahrers um Motor, Kupplung und Getriebe: Sie helfen Ihnen, das Verhalten eines Prozessors und auch manche seiner Eigenheiten besser zu verstehen (so dass Sie etwa, um im Bild zu bleiben, wissen, warum man bei 130 km/h auf der Autobahn nicht in den ersten Gang schalten sollte). Was Sie aus den Übungen mitnehmen sollten, ist das prinzipielle Wissen über den Aufbau und die internen Abläufe in einem Mikroprozessor. Die genauen technischen Details unseres ERA- Beispielrechners sind dagegen nur von untergeordneter Bedeutung; Sie können sie jederzeit in der Beschreibung der Maschine nachschlagen. In der ersten Übung befassen wir uns mit dem grundsätzlichen Aufbau eines Prozessors und der Art und Weise, wie er Maschinenbefehle abarbeitet. 1

2 Das Von-Neumann-Konzept Nach dem Konzept des ungarischen Mathematikers John von Neumann (* in Budapest, in Washington D.C.) besteht ein Rechner aus vier Funktionseinheiten: Hauptspeicher, Leitwerk, Rechenwerk und Ein-/Ausgabewerk. Die für die folgende Aufgabe wichtigsten Eigenschaften einer solchen Von-Neumann-Maschine sind: Programm und Daten stehen im selben Speicher. Der Speicher ist in Zellen gleicher Größe eingeteilt, die durch fortlaufende Nummern (Adressen) identifiziert werden. Das Programm besteht aus einer Folge von Maschinenbefehlen (Maschineninstruktionen), die nacheinander abgearbeitet werden. Ein Beispiel für eine Von-Neumann-Maschine ist die mikroprogrammierbare Maschine, die in der Vorlesung besprochen wurde und auch im ERA-Praktikum verwendet wird. Diese Beispielmaschine ist in dem Heftchen Beschreibung der mikroprogrammierbaren Maschine von W. Karl und R. Wismüller dokumentiert. Diese ist auf der Webseite zur Vorlesung ( unter dem Abschnitt Informationsmaterial erhältlich. Arbeiten Sie sich in diese Dokumentation ein! Für diese Übung sind zunächst die Abschnitte über Leitwerk, Speicher und Mikroinstruktionsformat wichtig. Erschrecken Sie nicht über die vielen Detailinformationen in der Dokumentation. Sie ist in erster Linie als Nachschlagewerk für die Programmierung gedacht. Niemand verlangt von Ihnen, dass Sie all diese Details auswendig wissen, Sie sollten sie aber bei Bedarf schnell auffinden können. (In der Klausur erhalten Sie das MI-Merkbaltt, eine Kurzversion der Dokumentation, zum Nachschlagen.). Die Maschinenbefehls-Interpretationsschleife Im Folgenden wollen wir uns näher mit der Interpretationsschleife befassen, die das Maschinenprogramm einer Von-Neumann-Maschine abarbeitet. Die Realisierung dieser Schleife ist eine der Hauptaufgaben des Leitwerks. Wie wir gesehen haben, besteht das Programm, das die Maschine ausführen soll, aus einzelnen Maschinenbefehlen, die im Hauptspeicher abgelegt sind. Die Wirkung dieser Befehle kann in drei Hauptgruppen eingeteilt werden: 1. Laden von Daten aus dem Hauptspeicher; Ablegen von Daten im Hauptspeicher. 2. Arithmetische und logische Operationen. 3. Fortsetzen der Programmausführung an einer anderen Stelle des Programms (Sprünge). Daneben gibt es in der Regel noch andere Befehlsgruppen, die jedoch im Moment für unsere Zwecke nicht wichtig sind. Das Leitwerk einer Von-Neumann-Maschine besitzt ein spezielles Register, den Befehlszähler (BZ, engl. PC (program counter) oder IP (instruction pointer)), das die Hauptspeicheradresse des als nächstes auszuführenden Befehls enthält. Daneben verfügt es noch über ein sogenanntes 2

3 Instruktionsregister (IR), in dem der aktuell auszuführende Befehl selbst gespeichert wird. Das IR enthält also den Inhalt der Hauptspeicherzelle, deren Adresse im Befehlszähler gespeichert ist (siehe Abbildung 1). Hauptspeicher Leitwerk Adresse 0000 F A 0 A B A A F F F F A B Befehlszähler (BZ) Instruktionsregister (IR) A A 1 5 Operanden Op Code Abbildung 1: Hauptspeicher, Befehlszähler und Instruktionsregister Während des normalen Betriebs der Maschine arbeitet das Leitwerk unentwegt die folgende Maschinenbefehls-Interpretationsschleife ab: 1. Befehlsholphase (instruction fetch) : (a) Hole den nächsten Befehl aus den Hauptspeicher in das Instruktionsregister, d. h. lies den Inhalt der Hauptspeicherzelle, deren Adresse im Befehlszähler steht. (b) Erhöhe den Befehlszähler. Das Erhöhen des Befehlszählers vor der Ausführung des Befehls ist eine Optimierung, die u.a. dazu dient, den Zugriff auf unmittelbare Operanden (d. h. Operanden die unmittelbar nach dem ersten Befehlswort im Speicher stehen) zu vereinfachen. 2. Befehlsdekodierphase (instruction decode) : Analysiere und dekodiere den eben geladenen Maschinenbefehl. Im einfachsten Fall wird der Befehl dazu zerlegt in: (a) den Op-Code, der bestimmt, welche Operation der Befehl ausführen soll, (b) die Spezifikation der Operanden, auf denen die Operation ausgeführt werden soll. 3. Befehlsausführungsphase (instruction execution) : Die durch den Op-Code gegebene Operation wird auf die spezifizierten Operanden angewandt. Bei der Ausführung von Sprungbefehlen kann der Befehlszähler mit einer neuen Adresse geladen werden, wodurch die Interpretationsschleife nicht wie sonst mit dem im Hauptspeicher nachfolgenden Befehl fortfährt. 3

4 Das Leitwerk Das Leitwerk hat die Aufgabe, die beschriebene Maschinenbefehls-Interpretationsschleife in Hardware zu realisieren. Das Leitwerk muss dazu die Steuersignale des Hauptspeichers, der ALU und anderer Teile der Maschine mit einer passenden Folge von Bitmustern belegen, so dass diese Funktionseinheiten zum rechten Zeitpunkt die ihnen zugewiesenen Operationen(z. B. Auslesen einer Speicherzelle) ausführen. Das Leitwerk besteht also im wesentlichen aus einem Mechanismus, der abhängig von bestimmten Eingangssignalen eine Folge von Zuständen (Schritten) durchläuft und dabei eine Folge von Ausgabesignalen erzeugt. Einen solchen Mechanismus nennt man in der Informatik einen endlichen Automaten mit Ausgabe (oder auch endliche Maschine, Zustands-Übergangssystem, Sequencer). Ein weiteres, besser bekanntes Beispiel eines Automaten ist eine Ampelsteuerung: Abhängig von der Eingabe (Druckknöpfe, Induktionsschleifen,...) durchläuft sie eine Folge von Zuständen, in denen die verschiedenen Ampellichter an- bzw. ausgeschaltet werden. Im weiteren Verlauf Ihres Studiums werden Sie noch viele weitere Beispiele für endliche Automaten sehen und auch die zugrundeliegende Theorie kennenlernen. An dieser Stelle soll zum besseren Verständnis nur eine halbformale, vereinfachte Beschreibung gegeben werden. Endliche Automaten Ein Automat des für uns relevanten Typs (Moore-Automat) kann beschrieben werden durch: 1. eine endliche Menge von Zuständen z 0, z 1, z 2, seinen Anfangszustand z 0, 3. seine Ausgabefunktion λ, die in jedem Zustand z eine entsprechende Ausgabe λ(z) produziert, 4. eine Zustandsübergangsfunktion δ, die abhängig von einer externen Eingabe e zu jedem Zustand z den Nachfolgezustand δ(e, z) liefert. Der Automat startet also im Zustand z 0, gibt dabei λ(z 0 ) aus und geht dann abhängig von der externen Eingabe e in einen Nachfolgezustand z 1 = δ(e,z 0 ) über. In diesem Zustand gibt er λ(z 1 ) aus und geht in den Zustand z 2 = δ(e,z 1 ) über, usw. Ein Automat mit gegebenem z 0, λ und δ kann, wie Sie später in den VHDL-Übungen lernen werden, direkt in Hardware umgesetzt werden. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, eine Hardware zu realisieren, deren Struktur unabhängig von λ und δ ist. Eine solche Hardware ist dann in dem Sinne programmierbar, dass ein beliebiger Automat dadurch realisiert werden kann, dass λ und δ geeignet codiert in einem Speicher abgelegt werden. Ein Leitwerk, in dem die erste Realisierungsvariante benutzt wird, wird als festverdrahtet bezeichnet. Wird die zweite Variante benutzt, wie in unserem ERA-Beispielrechner, spricht man von einem mikroprogrammierten Leitwerk. Welche Vor- und Nachteile haben diese beiden Realisierungsalternativen? Abbildung 2 zeigt schematisch den Teil des Leitwerks, der den Automaten realisiert, der alle Steuersignale im ERA-Rechner erzeugt. Der Zustand z dieses Automaten ist zu jedem Zeitpunkt 4

5 Op Code (vom Maschinen Instruktionsregister aus Abb. 1) Mapping PROM Am2910 CC (vom Rechenwerk) Multiplexer Mikro befehlszähler Inkrementierer Takt Mikro programm speicher Steuerteil Adreßteil Steuerteil Mikro instruktions register Nachfolgeadresse Abbildung 2: Leitwerk des ERA Rechners (Ausschnitt) Steuersignale (zur ALU, Speicher,...) durch die vom Mikroleitwerk Am2910 erzeugte Mikroprogrammspeicher-Adresse gegeben. Dies führt zu folgendem Ablauf, der in einer Endlosschleife wiederholt wird: 1. Die vom Am2910 erzeugte Mikroprogrammspeicher-Adresse selektiert eine (80 Bit breite) Speicherzelle im Mikroprogrammspeicher. Jede Speicherzelle im Mikroinstruktionsspeicher entspricht einem Zustand des endlichen Automaten. 2. Der Inhalt dieser Speicherzelle wird in das Mikroinstruktionsregister übernommen. Die sich im Mikroinstruktionsregister befindliche Mikroinstruktion repräsentiert den Zustand, in dem sich der Automat gerade befindet. 3. Die meisten Bits des Mikroinstruktionsregisters steuern andere Funktionseinheiten des ERA-Rechners, z.b. Hauptspeicher und ALU. Sie werden als Steuerteil der Mikroinstruktion bezeichnet und stellen die Ausgabe λ(z) unseres Automaten dar. 4. Die Bits 6 22 des Mikroinstruktionsregisters legen die Mikroprogrammspeicher-Adresse 5

6 fest, die der Am2910 im nächsten Schitt ausgibt. Sie bilden den Adressteil der Mikroinstruktion, der den Nachfolgezustand z = δ(e,z) unseres Automaten bestimmt. Die Eingabe e des Automaten besteht dabei aus dem Op-Code des gerade auszuführenden Maschinenbefehls (gespeichert im Maschineninstruktionsregister IR) und dem CC-Signal des Am2910, das von der Bedingungslogik des Rechenwerks erzeugt wird. Werden die Bits mit dem Wert CONT (= 14 10, siehe Tab. 4.1 der Maschinenbeschreibung) programmiert, gibt der Am2910 einfach die nächste Mikroprogrammspeicher- Adresse aus, das Mikroprogramm wird also mit der unmittelbar folgenden Mikroinstruktion fortgesetzt. Die genaue zeitliche Abfolge dieses Ablaufs wird durch ein Taktsignal gesteuert; in jedem Takt erfolgt genau ein Durchlauf durch die Schleife. Der interne Ablauf im mikroprogrammierten Leitwerk ist sehr ähnlich zur weiter oben beschriebenen Maschinenbefehls-Interpretationsschleife. In beiden Fällen wird letztendlich ein Programm ausgeführt, das aus einzelnen Instruktionen besteht, die in einem Speicher abgelegt sind. Beachten Sie aber, dass hier völlig unterschiedliche Ebenen der Programmierung vorliegen, die nicht verwechselt werden dürfen. Im einen Fall werden Mikrobefehle interpretiert, im andern Fall Maschinenbefehle. In der Übung wird verwechslungsgefährdeten Begriffen immer das Wort Mikro- bzw. Maschinen- vorangestellt, um die betrachtete Programmierebene zu verdeutlichen. Aufgabe 6.1 Arbeiten Sie sich in die Beschreibung der mikroprogrammierbaren Beispielmaschine ein. Beantworten Sie die folgenden Fragen: a) Identifizieren Sie die vier Funktionseinheiten nach von Neumann im Blockschaltbild der mikroprogrammierten Maschine (Abb. 4.1 der Beschreibung). Welche Funktionseinheit fehlt in diesem Schaltbild? b) Wieviele Bits hat eine Speicherzelle im Hauptspeicher der mikroprogrammierten Maschine? Was ist die Zellengröße bei üblichen Mikroprozessoren? Aufgabe 6.2 In der folgenden Übungsaufgabe befassen wir uns näher mit der Realisierung der Maschinenbefehls-Interpretationsschleife des ERA-Rechners. Wir beschränken uns dabei zunächst auf die Befehlsholphase und die Befehlsdekodierphase. Sie werden durch ein einfaches Mikroprogramm, genannt IFETCH, realisiert. IFETCH beginnt an der Mikroprogrammspeicheradresse 0 und besteht aus drei Mikroinstruktionen, die folgendes bewirken: 6

7 Instruktion Beschreibung 0 a) Der Inhalt des Maschinenbefehlszählers wird auf den Adressbus ausgegeben. b) Ein Hauptspeicher-Lesezyklus wird gestartet. 1 Die am Datenbus anliegenden Daten werden in das Instruktionsregister geladen. 2 a) Der Inhalt des Maschinenbefehlszählers wird um eins erhöht. b) Es wird an die Adresse im Mikroprogrammspeicher verzweigt, die das Mapping-PROM 1 (siehe Blockschaltbild der Maschine) an den Leitwerksbaustein Am2910 ausgibt. Dazu wird der Adreßfortschaltbefehl JMAP verwendet. Nach Ausführung der Instruktion 1 liegt der Op-Code des geholten Befehls am Adresseingang des Mapping-PROMs an. Die so adressierte Speicherzelle im Mapping-PROM enthält die Anfangsadresse des Mikroprogramms, das den Maschinenbefehl mit diesem Op-Code realisiert. Dieses Mikroprogramm wird durch JMAP angesprungen. Das Mapping-PROM bildet also jeden Maschinenbefehl auf ein Mikroprogramm ab, das für die Ausführung dieses Befehls zuständig ist. All diese Mikroprogramme zusammen realisieren den noch fehlenden Teil der Maschinenbefehls Interpretationsschleife, nämlich die Befehlsausführungsphase. Am Ende springen diese Mikroprogramme alle wieder zur Mikroprogrammspeicher-Adresse 0 und schließen somit die Schleife. a) Ergänzen Sie die Lücken in dem Mikroprogramm IFETCH auf den Seiten 8 und 9 so, dass die oben genannten Schritte 0a, 1 und 2a korrekt ausgeführt werden. Nehmen Sie die Dokumentation des Mikroinstruktionsformats zu Hilfe, um herauszufinden, wie sie die Instruktionsbits 1 5 in jedem Takt setzen müssen. b) Welche Komponenten im Blockschaltbild der Maschine dienen speziell der Maschinenbefehls-Dekodierung? c) Ermitteln Sie anhand von Tabelle 4.1 der Maschinenbeschreibung, welche Adressfortschaltbefehle des Am2910 für den oben erwähnten Rücksprung zur Mikroprogrammspeicher-Adresse 0 verwendet werden können. Falls Sie noch Fragen haben, wenden Sie sich bitte an ihre Tutoren oder Marcel Meyer, meyerm@in.tum.de bzw. Josef Weidendorfer, weidendo@in.tum.de 1 PROM = Programmable Read-Only Memory = programmierbarer Festwertspeicher 7

8 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 AM2901 IFE TCH DIS DIS DIS NOP NOP NOP 8

9 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 MU CIN MU Schiebe steuerung Statusregister Test AM2910 Befehle Direktdaten AM2904 AM2910 BZ IR HS H H H H CONT R H H H H CONT R H H H H JMAP R 9