FAKULTÄT FÜR INFORMATIK

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Margarete Arnold
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1 FAKULTÄT FÜ NFOMATK TECHNCHE UNVETÄT MÜNCHEN Lehrstuhl für echnertechnik und echnerorganisation rof. Dr. Arndt Bode Einführung in die echnerarchitektur Wintersemester 2016/2017 Tutorübung 8 M (2) Lösungsvorschläge Geschaltete Datenpfade 1.1. ENAC Die truktur des echners ist nicht vom roblem unabhängig Adress- und Datenbus in der M-Maschine Adressbus: BZ EA (2), U (38) (diese Bits dürfen nicht beide E sein) Datenbus: MWE (0), BZ ED (4), DBU (37) Achtung: MWE= bewirkt einen Zugriff auf den Datenbus im folgenden Takt, und das nur dann, wenn auch ein Wert auf den Adressbus ausgegeben wird. Nicht erlaubt ist also: owohl BZ ED als auch DBU auf E zu setzen. n einer Mikrooperation MWE= und einen Wert auf den Adressbus auszugegeben (BZ EA oder U enable) und in der darauffolgenden Mikroinstruktion BZ ED oder DBU auf E zu setzen 1.3. Multiplexer-teuerung in der M-Maschine AEL (44) = AMU-Eingang sind Bits 4 7 des nstruktionsregister, d. h. das A-Feld des aktuellen Maschinenbefehls. AEL (44) = M AMU-Eingang sind Bits des Mikroinstruktionsregisters BEL (38) analog AEL KMU (74) = D KMU-Eingang ist der Datenbus KMU (74) = K KMU-Eingang sind Bits des Mikroinstruktionsregisters. 1

2 2. ubtraktion von Binärzahlen 2.1. ubtraktion 2 4 2=0010, 4=0100 Einerkoplement von 4: 1011 Addition: (Cn-Eingang) = (14dez, falsche Lösung, da Überlauf) Vorderste telle im Ergebnis ist 0: Kein Carry-Flag, Überlauf 2.2. ubtraktion 7 4 7=0111, 4=0100 Einerkoplement von 4: 1011 Addition: (Cn-Eingang) = (3dez = 7-4, stimmt also) Vorderste telle im Ergebnis ist 1: Carry-Flag gesetzt, kein Überlauf 2.3. ubtraktion 5 5 5=0101, 5=0101 Einerkoplement von 5: 1010 Addition: (Cn-Eingang) = (0dez = 5-5, stimmt also) Vorderste telle im Ergebnis ist 1: Carry-Flag gesetzt, kein Überlauf Alle 4-Bit sind Null: Zero-Flag wird gesetzt. 3. Mikroprogrammierbare Maschine 3.1. Arithmetische Funktionen des echenwerks Addition ubtraktion Bitweises UND Bitweises ODE Bitweises Exklusiv-Oder (O) Bitweises Exklusiv-NO NO(a, b) = (O(a, b)) = ((a b) ( a b)) = ( a b) (a b) D. h. im Ergebnis sind die Bits gesetzt, die in a und b gleich sind. Bitweises AND(!a, b) 3.2. ubtraktionsbefehle Da es sich um eine Zwei-Adressmaschine handelt, ist der zweite Quelloperand automatisch auch immer der Zieloperand der Operation (unter der Voraussetzung, dass das Ergebnis überhaupt wieder in einem egister gespeichert werden soll). Der rogrammierer soll aber zumindest entscheiden können, welcher der beiden Operanden überschieben werden soll. Bei den kommutativen Operationen kann er dies tun, indem er den zu überschreibenden Operand als zweiten Operanden angibt (z. B. liefert r1, r2 und r2, r1 das gleiche Ergebnis). Da die ubtraktion jedoch nicht kommutativ ist, gibt es hier zwei Varianten: n der ersten (UB) steht der ubtrahend an zweiter telle, wie man dies auch aus der herkömmlichen chreibweise (Minuend ubtrahend) kennt. Das Ergebnis wird dann im ubtrahend gespeichert. n der zweiten Variante (UB) steht der Minuend an zweiter telle (also - ubtrahend + Minuend) und der Minuend wird mit dem Ergebnis überschrieben. 2

3 3.3. Quellensteuerung DB? Diese Kombination wird vergleichsweise selten verwendet. Es gibt aber schon 8 Kombinationen, die mit eine 3-Bit breiten Mikrooperation gesteuert werden. oll auch noch die Kombination DB möglich sein, müsste das Mikroinstruktionsformat um 1 Bit verbreitert werden, was den Aufwand nicht Wert ist teuerung ALU KMU A3 A2 A1 A0 AEL B3 B2 B1 B0 BEL U* DBU* 2 1 rc Func Dest A Addr B Addr Y MU CN MU AM2901 i) NO 15 M A B H C ii) UB AMF 0 M C iii) UB AMF 0 M C iv) D DZ AMF C v) Achtung: Letzte Teilaufgabe ist unlösbar, da A nie Ziel sein kann! 3.5. Benötigte Takte für Maschinenbefehlsausführung Mindestens: FETCH = 3 Takte, Befehlsausführung mind. 1 Takt, also insgesamt mindestens 4 Takte Mit Direktoperand mindestens: FETCH = 3 Takte, Operand holen: H-Zugriff = mind. 2 Takte, also insgesamt mindestens 5 Takte 3

4 4. Mikroprogramme 4.1. MOV A, B chritt 1: Nur egisteroperanden, kein Hauptspeicherzugriff, Daten bewegen kann mit einer ALU-Operation erfolgen: 1 Takt in der Ausführungsphase notwendig chritt 2: i. ALU Quelloperand: A. A (egister ist im Maschinenbefehl, also im nstruktionsregister angegeben) B. keiner ii. ALU Operation: keine iii. ALU Zieloperand: B iv. equenzer: ücksprung zu FETCH v. onst darf nichts verändert werden. chritt 3: Aus unkt i (chritt 2) folgt: im Feld ALU C muss entweder AQ,, ZA oder DA ausgewählt werden. Aus unkt ii (chritt 2) folgt: A soll unverändert an das Ende der ALU geleitet werden. Für ALU C scheiden daher AQ und aus, da der Mikroprogrammierer nicht weiß, was gerade in diesen egistern gespeichert ist. Für FUNC kommt in Frage: A+0, CN = 0 A 0, CN = 1 A O 0 Aus unkt iii (chritt 2) folgt: DET kann z.b. AMF sein (Ausgang der ALU ins egister B) Aus unkt iv (chritt 2) folgt: Am2910-Befehl CJ 000 oder JZ Aus unkt v (chritt 2) folgt: = DB = BZ LD = BZ ED = BZ NC = BZ EA = LD = H, MWE= (Es wird also kein chreibzyklus gestartet.) chritt 4: ALU (Operation A+0 gewählt): eq: C = ZA FUNC = (oder O oder UB) DET = AMF (Alternativ geht auch AMA, dann spielen C und FUNC keine olle) AEL = BEL = YMU = HH CNMUC = C (bzw. C, falls oben UB) CEMUE = H (siehe nächste Übung) CEM = H (siehe nächste Übung) CCEN = (unbedingter prung) Am2910 = CJ BA = 000 (Adresse von FETCH) 4

5 BZ LD = H BZ ED = H BZ NC = H BZ EA = H LD = H Mem: MWE = 4.2. MOV [A], B chritt 1: Es gibt einen Zugriff auf den Hauptspeicher: mindestens zwei nstruktionen Adresse, d. h. nhalt von A, auf Adressbus Wert, der an Datenbus anliegt, nach B chritt 2: 1. nstruktion: C=ZA, FUNC=, C, =E, MWE= (Fast wie in Aufgabe 4.1) 2. nstruktion: C=DZ, KMU=D, FUNC= C, DET = AMF chritt 3: 1. nstruktion: ALU: C = ZA, FUNC =, DET = NO (Achtung: Hier soll kein egister überschrieben werden!), AEL = (egister ist in Maschinenbefehl spezifiziert.), = E (Ausgang der Alu auf den Adressbus), DB = H, CNMUC = C, CEMUE = H, CEM = H eq: Am2910 = CONT, BZ LD = H, BZ ED = H, BZ NC = H, BZ EA = H, LD = H Mem: MWE = (Lesezyklus starten) 2. nstruktion: ALU: KMU = D (Datenbus an D-Eingang legen), C = DZ Quellen: D- Eingang und Null), FUNC =, DET = AMF, BEL = (egister ist in Maschinenbefehl spezifiziert), = H, DB = H, CNMUC = C, CEMUE = H, CEM = H eq: CCEN = (unbedingter prung), Am2910 = CJ, BA = 000 (Adresse von FETCH), BZ LD = H, BZ ED = H, BZ NC = H, BZ EA = H, LD = H Mem: MWE = 4.3. bis Aufgabe 4.5. A, B hier mit Opcode 4A NC B mit Opcode 31 imm, B mit Opcode 4B 5

6 f0 D ZB AMF 4a0 D AMF 4b0 D ZB QEG NO 4b1 D D DQ DA AMF BEL U* DBU* Y MU 2 1 CN MU chiebe steuerung CEMUE* CEM* 5 4 tatusregister Test CCEN* AM2910 Befehle D11 E D10 D9 KMU K15 K14 K13 K12 K11 K10 K9 K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 K A3 A2 A1 A0 AEL B3 B2 B1 B0 nterrupt Konstante rc Func Dest A Addr B Addr AM2901 Direktdaten AM2904 AM2910 BZ H D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 BZ_LD* BZ_ED* BZ_NC* BZ_EA* _LD* MWE* C H L Load CJ FETCH H C H L Load CJ FETCH H C CONT H E H C H L Load CJ FETCH 4.6. JM imm Opcode hier E KMU K15 K14 K13 K12 K11 K10 K9 K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 K A3 A2 A1 A0 AEL B3 B2 B1 B0 BEL U* DBU* CEMUE* CEM* 5 4 CCEN* D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 BZ_LD* BZ_ED* BZ_NC* BZ_EA* _LD* MWE* nterrupt Konstante rc Func Dest A Addr B Addr Y CN chiebe MU MU steuerung tatusregister Test AM2910 Befehle Direktdaten AM2901 AM2904 AM2910 BZ H 020 D NO CONT H E H 021 D NO CJ FETCH L D 5. Maschinenprogramm Assemblerprogramm: MOV r5, r0 MOV [r0], r2 Maschinenprogramm: A350 A402 6

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