Wiederholungsklausur. Einführung in die Rechnerarchitektur

Transkript

1 Wiederholungsklausur Einführung in die Rechnerarchitektur Prof. Dr. Arndt Bode Sommersemester April 2014 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 26 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 Die folgenden Aufgaben aus der maschinennahen Programmierung sind unabhängig voneinander lösbar Befehle Register Geben Sie eine Formel für die Berechnung des Wertes von A an, wenn die Inhalte von AH und AL bekannt sind. Alle Registerwerte werden vorzeichenlos interpretiert IDIV-Effekte Welche Werte stehen in den Registern EA, EB, EC und ED nach dem Ausführen dieser Befehlsfolge? mov eax, 101 mov ebx, 100 mov ecx, 10 mov edx, 0 idiv ecx EA: EB: EC: ED: Status-Flags Kreuzen Sie all jene Status-Flags an, die durch den genannten Befehl modifiziert werden: Befehl Carry Zero Sign Overflow INC DEC SUB AND CMP RET 3

4 1.2 Reverse Engineering Was berechnet dieser Assembler-Code (Parameter und Ergebnis in EA)? Tragen Sie die mathematische Beschreibung dieses Algorithmus in die Fallunterscheidung ein. func: cmp eax, 0 je label push eax sub eax, 1 call func pop ebx mul ebx ret label: mov eax, 1 ret func(ea) =, für, für 4

5 1.3 Funktionsaufruf mit Parameterübergabe Die Funktion call_me erwartet ihre Parameter als 32-Bit-Werte auf dem Stapelspeicher. Es werden keine Rückgabewerte generiert. Zeigen Sie, wie die Funktion im Rahmen eines umfangreicheren Assemblerprogramms mittels eines CALL-Befehles ohne Seiteneffekte (außer den beschriebenen) aufgerufen werden kann. Dabei sollen die folgenden Parameter in dieser Reihenfolge in den Stapelspeicher geladen werden, so dass datum als oberstes Element an der kleinsten Speicheradresse liegt: 1. ein im Speicher an der Adresse datum hinterlegtes Datum 2. der Adresszeiger auf ein an objekt gespeichertes Objekt 3. die Konstante 42 5

6 1.4 Spiegeln einer Pixelgrafik Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Byte 6 Byte 7 Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Byte 6 Byte 7 Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Um eine Pixelgrafik der Größe 8x8 Pixel im Arbeitsspeicher wie im Beispiel links dargestellt zu spiegeln, soll die Funktion mirror entwickelt werden. Sie soll mittels CALL-Aufruf auf eine beliebige Adresse im Speicher angewandt werden können. Der einzige Parameter für diese Funktion ist die im Register EB übergebene Startadresse der zu spiegelnden Pixelgrafik. Es gibt keine Rückgabewerte und, außer den beschriebenen, keine Seiteneffekte. Die Nummerierung der insgesamt 64 Bit einer Pixelgrafik beginnt in der linken, oberen Ecke. Dabei liegen die durch jeweils ein Byte repräsentierten Zeilen der Grafik direkt hintereinander im Speicher. Es steht kein zusätzlicher Zwischenspeicher im Arbeitsspeicher zur Verfügung. Hinweise: Sie können direkt auf dem angegebenen Zielspeicher arbeiten. Nutzen Sie sinnvoll verschachtelte Schleifen um über alle Bits und Bytes zu iterieren. Überlegen Sie sich, inwieweit Ihnen das Statusregister beim Spiegeln behilflich sein kann. 6

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9 Aufgabe 2 - Mikroprogrammierung In der Anlage finden Sie ein Merkblatt mit einer Kurzbeschreibung der mikroprogrammierbaren Maschine, in der 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. Für einige der folgenden Maschinenbefehle wird ein Kellerspeicher/Stapelspeicher (engl. Stack) benutzt, wie er auch bei x86 Verwendung findet, um Funktionsaufrufe in Maschinenprogrammen zu ermöglichen. 16-Bit-Werte können auf den Stack gelegt werden (PUSH) und vom Stack heruntergenommen werden (POP). Der Stack wird durch den Hauptspeicher realisiert, wobei als Adresse des obersten Elements das Register 15 der mikroprogrammierbaren Maschine benutzt wird; der Stack wächst aufwärts, das heißt bei PUSH wird das Register 15 inkrementiert. Der Einfachheit halber testen PUSH und POP nicht, ob Überläufe auftreten; Register 15 sei initialisiert mit Adresse 0xF000. Gegeben sind folgende Maschinenbefehle: Opc. Befehl Beschreibung 0x11 DEC RB Dekrementiert RB um 1 (RB = RB - 1). Die Flags des Maschinenstatusregisters werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt. 0x22 ADD RA, RB Addiert den Inhalt von Register RA zum Register RB. 0x33 CMP RA, imm Führt eine Subtraktion des Inhalts von RA minus imm durch. Die Flags des Maschinenstatusregisters werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt. Das Ergebnis wird verworfen. 0x40 CALL adr Die Startadresse des Maschinenbefehls, der nach CALL im Hauptspeicher steht, wird auf den Stack gelegt. Es erfolgt ein Sprung an Adresse adr. 9

10 Opc. Befehl Beschreibung 0x48 RET Ein Wert wird vom Stack genommen. Dieser Wert ist die Zieladresse, zu der ein Sprung erfolgt. 0x49 RETNC Wenn das Carry-Flag des Maschinenstatusregisters nicht gesetzt ist, wird ein Wert vom Stack genommen, der der Zieladresse entspricht, zu der in diesem Fall ein Sprung erfolgt. 0x50 PUSH RB Der Inhalt von Register RB wird auf den Stack gelegt. 0x51 POP RB Ein Wert wird vom Stack genommen. Dieser Wert wird in Register RB gespeichert. 0x58 SWAP RB Das oberste Element des Stacks wird mit dem Inhalt von Register RB vertauscht. 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 im Hauptspeicher? Bitte die jeweiligen Opcodes angeben! 10

11 2.2 Gegeben ist folgendes Maschinenprogramm, welches eine Funktion darstellt, die mit CALL aufgerufen werden kann. Dabei wird folgende Aufrufkonvention benutzt: der Eingabeparameter wird in r0 übergeben; das Ergebnis steht anschließend in r0. fun: CMP r0, 2 RETNC DEC r0 PUSH r0 CALL fun SWAP r0 DEC r0 CALL fun POP r1 ADD r1, r0 RET Wenn man den Eingabeparameter von fun als x bezeichnet: bei welcher Bedingung in Abhängigkeit von x erfolgt durch RETNC ein Rücksprung zum Aufrufer? Welcher Wert wird bei Rücksprung durch RETNC zurückgegeben? Welcher Ausdruck wird in Abhängigkeit von Eingabeparameter x im Teil des Maschinenprogramms nach RETNC berechnet? Verwenden Sie dabei für rekursive Aufrufe fun(...) Der Maschinenbefehl SWAP r0 kann durch MOV r0,r1 / POP r0 / PUSH r1 ersetzt werden (r1 sei unbenutzt), benötigt aber mehr Speicherzugriffe. Dabei speichert MOV r0,r1 den Inhalt von r0 in r1. Geben Sie an, wieviele Speicherzugriffe die Ersatzform von SWAP benötigt. Berücksichtigen Sie Zugriffe durch IFETCH! 11

12 2.2.5 Zeigen Sie, wie das gegebene Maschinenprogramm in hexadezimaler Codierung aussieht. Adresse Inhalt Befehl 0x0100 fun: CMP r0, 2 RETNC DEC r0 PUSH r0 CALL fun SWAP r0 DEC r0 CALL fun POP ADD r1 r1, r0 RET 12

13 2.3 Folgende Maschinenbefehle sollen nun durch ein Mikroprogramm realisiert werden: PUSH RB RETNC Vervollständigen Sie die Tabellen auf den Seiten 16/17. Die Tabelle enthält Reservezeilen für einen zweiten Lösungsversuch, bitte streichen Sie falsche Lösungen deutlich durch! Bitte keine binären Werte eintragen, sondern die Abkürzungen aus dem Merkblatt MI (in der Anlage) verwenden. Tabelle auf der nächsten Seite! 13

14 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 Adr. PUSH RB DIS DIS DIS DIS RETNC DIS DIS DIS DIS Adr. PUSH RB DIS DIS DIS DIS RETNC DIS DIS DIS DIS 14

15 ABUS* DBUS* I12 I11 I9 I8 I7 I6 CEMUE* CEM* I5 Y- CIN Schiebe- Statusregister AM2910 MU MU steuerung Test Befehle I4 I3 I2 I1 I0 CCEN* I3 I2 I1 I0 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 Direktdaten D2 D1 D0 BZ_LD* BZ_ED* BZ_INC* BZ_EA* IR_LD* MWE* 15

16 Aufgabe 3 - Rechnergestützter Schaltungsentwurf 3.1 Arithmetische Schaltung Die folgende Schaltung aus vier Logikgattern soll analysiert werden. Dabei sind a 1, a 0, b 1 und b 0 Eingänge und c 0 und c 1 Ausgänge der Schaltung. a 0 b 0 = 1 c 0 & = 1 c 1 a 1 b 1 = Ergänzen Sie die Wertetabelle der Schaltung. Hinweis: einige Werte für die Ausgänge sind bereits ausgefüllt. a 1 a 0 b 1 b 0 c 1 c

17 3.1.2 Wäre es möglich, die Schaltung auch ohne Verwendung von OR-Gattern zu realisieren? Erstellen Sie die disjunktive Normalform (DNF) für c Welche Bedeutung haben die Ausgängec 1 undc 0, wenna = a 1 a 0 undb = b 1 b 0 als vorzeichenlose Binärzahlen interpretiert werden? 17

18 3.1.5 Erstellen Sie eine VHDL-Architecture, die die Ausgänge entsprechend der Wertetabelle berechnet. Die folgende VHDL-Entity-Deklaration ist gegeben: e n t i t y comp i s port ( A, B: i n unsigned (1 downto 0 ) ; C: out unsigned (1 downto 0) ) ; end e n t i t y ; 3.2 RSS-Flipflop Das RSS-Flipflop ist eine völlig unbekannte Abwandlung des (getakteten) RS- Flipflops. Es besitzt vier Eingänge S(1), S(0), R und CLK sowie zwei Ausgänge Q(1) und Q(0). Alle Eingänge werden nur zur steigenden Flanke von CLK evaluiert. R wirkt wie der gleichnamige Eingang bei einem RS-Flipflop: Falls R = 1, werden beide Ausgänge auf 0 gesetzt. Falls bei einer steigenden Taktflanke alle Ausgänge sowie der Eingang R den Wert 0 besitzen, aber mindestens einer der S-Eingänge den Wert 1, werden die dazugehörigen Ausgänge auf 1 gesetzt. Ansonsten behalten die Ausgänge ihren Wert bei. 18

19 3.2.1 Vervollständigen Sie das Impulsdiagramm. CLK S(0) S(1) R Q(0) Q(1) Erstellen Sie die VHDL-Entity des Bausteins. Halten Sie sich an die vorgegebenen Signalnamen. 19

20 gray Zeichnen Sie das Zustandsübergangsdiagramm ( Blasendiagramm ) des Bausteins. Nehmen Sie an, dass beide Ausgänge anfangs auf 0 gesetzt sind Erstellen Sie die VHDL-Architecture des Bausteins. 20

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22 Zusätzlicher Platz für Lösungen - Bitte immer Aufgabennummer angeben! Lösung für Aufgabe... 22

23 Lösung für Aufgabe... 23