Klausur. Technische Grundlagen der Informatik Prof. Dr. Arndt Bode

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1 Klausur Technische Grundlagen der Informatik Prof. Dr. Arndt Bode Wintersemester 2000/ Februar 2001 Name: Vorname: Matrikelnummer: Geburtsdatum: Hörsaal: Platz: Unterschrift: Ergebnis: Aufgabe Ges. Note Punkte Korrektur Ich möchte, daß die Klausur nicht gewertet wird, streiche deshalb dieses Deckblatt durch und bestätige dies durch meine Unterschrift: Unterschrift:

2 Hinweise zu den Aufgaben: - Es sind keinerlei Hilfsmittel zugelassen, auch keine Taschenrechner. - Versehen Sie dieses Angabenblatt auf der Titelseite mit Ihrem Namen, Vornamen und Matrikelnummer. - Diese Angabe umfaßt 23 bedruckte Seiten. Außerdem erhalten Sie folgende Beschreibungen: Anlage I: Rechnerorganisation und maschinennahe Programmierung 38 Seiten Anlage II: Mikroprogrammierung 24 Seiten - Alle Lösungen sind in dieses Heft einzutragen. Sollte der vorgesehene Platz nicht ausreichen, so finden Sie am Ende weitere Blätter. Sollten diese auch nicht ausreichen, so wenden Sie sich bitte an die Aufsichten. - Notizpapier wird auf Ihre Anfrage ausgegeben. Die Verwendung von eigenem Papier ist nicht gestattet. - Bei allen Multiple-Choice-Aufgaben sind alle richtigen (und nur die richtigen!) Antworten anzukreuzen. Aufgaben: Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Aufgabe 4: Schaltungslogik Maschinennahe Programmierung Mikroprogrammierung Grundwissen

3 Aufgabe 1 Schaltungslogik Gegeben ist folgender Teil einer Schaltung, die mit Hilfe der Schalter S1 und S2 konfiguriert werden kann. Hierbei ist zu beachten, daß positive Logik gilt, d. h. +UB entspricht einer logischen 1, Ground (Massezeichen) entspricht einer logischen Überprüfen Sie bitte, ob folgende Funktionen von A, B, C und D mit Hilfe der Schalter S1 und S2 eingestellt werden können. Falls die Funktion durch die beiden Schalter S1 und S2 einstellbar ist, so kreuzen Sie diese an. Geben Sie in diesem Fall auch an, wie die Schalterstellung von S1 und S2 (log. 0 oder 1) sein muß, indem Sie Kreuze in die jeweilige Tabelle zeichnen O Y = (A B) ( C D); S1 S O Y = ( (A B)) ( (C D)); S1 S

4 1.1.3 O Y = ( A B)) ( C D)); S1 S O Y = ((A B) (C D)); S1 S Für eine Anwendung wird der in der folgenden Wertetabelle gegebene funktionale Zusammenhang zwischen den Eingängen K, L, M und dem Ausgang X benötigt. K L M X Erstellen Sie die disjunktive Normalform für X: X = ; 3

5 1.2.2 Überprüfen Sie, ob die Funktionalität der Wertetabelle durch die in der Aufgabe gegebene konfigurierbare Schaltung durch geeignete Auswahl der Schalterstellungen und die geeignete Zuordnung der Eingangsgrößen der Wertetabelle zu den Eingangsgrößen der Schaltung erzielt werden kann. Falls ja, so ordnen Sie in der folgenden Tabelle den Eingangsgrößen der Schaltung die jeweiligen Eingangsgrößen der Wertetabelle zu. Geben Sie auch die erforderlichen Schalterstellungen an. Eingangsgröße Schaltung A Eingangsgröße Wertetabelle B C D 0 1 S1 S2 Aufgabe 2: Maschinennahe Programmierung 2.1 Stackbenutzung - "Hütchenspiel" Vollziehen Sie folgenden Programmcode nach, der starken Gebrauch von den Stackoperationen "push" und "pop" macht. Notieren Sie nach jedem Befehl den Inhalt der Register und des Stacks nach Ausführung des Befehls! Sollte der Inhalt noch undefiniert sein, schreiben Sie ein Fragezeichen (?) als Wert, nicht veränderte Werte können Sie mit Gänsefüßchen (") abkürzen. 4

6 Programm Register / Speicherinhalt CONFUS: AX BX CX [SP] [SP+2] [SP+4] [SP+6] MOV AX,0101h 0101?????? MOV BX,1234h " 1234 " " " " " MOV CX,4242h " " 4242 " " " " PUSH AX PUSH BX PUSH CX POP AX PUSH AX ADD BX,AX ADD BX,CX POP AX ADD AX,BX POP BX ADD AX,BX CONFUS_END: Was würde geschehen, wenn nach CONFUS_END ein "RET NEAR"- Befehl (Standard-Return-Befehl) stehen würde? Woran läßt sich das "Problem" von auch ohne Nachvollziehen des Programms leicht erkennen? 5

7 Wie kann das "Problem" ohne Veränderung der eigentlichen Programmfunktion und der Registerinhalte (AX, BX, CX, DX, Segmentregister) mit nur EINEM Befehl vor dem "RET NEAR" behoben werden? 2.2 Integerarithmetik Pixeladressenberechnung Soll ein Computer Text oder andere Grafiken darstellen ("Grafikkarte"), kann dies z.b. auf folgende Art realisiert werden: Für eine Auflösung von 512*384 wird ein Koordinatensystem aufgebaut, dessen Ursprung (0,0) links oben und (511,383) rechts unten ist. Jeder durch (x,y) ansprechbare Punkt (Pixel) wird dabei mit seiner Farbe durch den Inhalt einer Speicherzelle in einem Speicherbereich ("Bildschirmspeicher") bestimmt. Die Adresse a dieser Zelle wird aus (x,y) und dem Anfang des Bildschirmspeichers b geeignet berechnet. Für eine einfache Schwarz/Weiss-Darstellung wird nur ein Bit pro Pixel benötigt, daher können in einem Byte 8 Pixel untergebracht werden. Für die Pixel (0,0) bis (7,0) sieht das so aus: Bitnummer Bitwertigkeit Pixel (7,0) (6,0) (5,0) (4,0) (3,0) (2,0) (1,0) (0,0) 6

8 Dieses Schema wiederholt sich für alle weiteren Pixel analog Berechnung der Pixeladresse in Byte Die Byte-Adresse a für (x,y) berechnet sich folgendermaßen: a = b + (x/8) + y* Begründen Sie die Formel für die Berechnung von a Schreiben Sie ein Assemblerprogramm, das a berechnet. Es dürfen weder die Divisionsbefehle (IDIV/DIV) noch die Multiplikationsbefehle (IMUL/MUL) benützt werden! Es gelte folgende Registerbelegung: AX: x BX: y DX: b Ergebnis in AX Verwenden Sie folgendes Gerüst: CALC_PIXEL_ADDR: AX, ; x/8 BX, ; y*64 ; x/8+y*64 ; b+x/8+y*64 RET 7

9 2.2.2 Setzen eines Pixels in einem Byte Wenn die Adresse feststeht, in der sich das Pixel (x,y) befindet, wird der Inhalt dieses Bytes geholt, das zur x-koordinate passende Bit gesetzt und das geänderte Byte wieder zurückgeschrieben. Die Bitposition p innerhalb eines Bytes in Abhängigkeit von x läßt sich wie folgt berechnen: p = ( x AND 7 ) (AND bitweise) Begründen Sie die Formel zur Berechnung von p Ergänzen Sie das Gerüst zum Setzen eines Pixels. Registerbelegung: AX: x BX: y DX: b SET_PIXEL: PUSH AX CALL CALC_PIXEL_ADDR POP, ; rette x-koordinate ; berechne Byteadresse ; hole x-koordinate ; berechne Bitposition MOV BX,1 8

10 BX, CL ; erzeuge Bitmaske MOV DL,[AX] ; hole Byte DL,B MOV [AX], DL ; setze Bit mithilfe der Bitmaske ; schreibe Byte zurück RET Aufgabe 3: Mikroprogrammierung In der Anlage finden Sie die Beschreibung der mikroprogrammierbaren Maschine, die in der Vorlesung und der Übung behandelt wurde. Für diese Maschine sollen nachfolgend zwei Maschinenbefehle mit Hilfe von Mikroprogrammen realisiert werden. Allgemeine Hinweise: Sie finden alle zur Lösung der Aufgabe notwendigen Angaben zur mikroprogrammierbaren Maschine in der Anlage, insbesondere die Beschreibung des Mikroinstruktionsformats und die Funktionstabellen der Bausteine. Zur Lösung der Programmieraufgaben ergänzen Sie die Lücken in den angegebenen Mikroprogrammen. Die Mikroprogramme sind zweimal in identischer Form abgedruckt, um Ihnen eine Möglichkeit der Korrektur zu geben. Kennzeichnen Sie ungültige Lösungen deutlich! Bei Bedarf können Sie auch weitere Blätter anfordern. Das Mikroprogramm IFETCH, das den nächsten Maschinenbefehl in das Instruktionsregister lädt, den Befehlszähler inkrementiert und entsprechend dem Befehls-Opcode das zugehörige Mikroprogramm anspringt, kann als gegeben betrachtet werden. Alle Mikroprogramme müssen am Ende wieder zum Anfang des Mikroprogramms IFETCH zurückspringen. 3.1 Es soll ein Mikroprogramm erstellt werden, das den Befehl SUB imm,rb realisiert. Der Befehl subtrahiert eine Konstante vom Inhalt von RB. Mit RB wird das Register bezeichnet, das durch das Register-B-Adreßfeld des Maschinenbefehlswortes adressiert wird. Die Konstante ist als unmittelbarer Operand des Befehls gegeben, d.h. sie steht als 16-Bit-Wert unmittelbar hinter dem ersten Maschinenbefehlswort im Hauptspeicher. Das Ergebnis der Subtraktion wird wieder in RB gespeichert. Gleichzeitig werden die Statusbits im Maschinenstatusregister gesetzt. 9

11 Für das Mikroprogramm stehen zwei Mikroinstruktionen ab Adresse 10 zur Verfügung Beschreiben Sie stichpunktartig die wesentlichen Aktionen, die die jeweiligen Mikroinstruktionen durchführen müssen. Instruktion 10 Instruktion Ergänzen Sie das Mikroprogramm auf den Seiten 12 und Dem Befehl sei der Op-Code zugeordnet. Ein Maschinenprogrammierer hat an der Maschinenprogrammadresse 7 16 diesen Maschinenbefehl benutzt, um den Wert vom Inhalt des Registers 3 zu subtrahieren. Welche Werte (in Hexadezimaldarstellung) stehen demnach in folgenden Hauptspeicherzellen? Adresse Inhalt Das Register 3 habe vor der Ausführung dieses Befehls den Inhalt Welche Werte haben die Statusbits im Maschinenstatusregister nach der Ausführung des Befehls aus 3.1.3? 10

12 Z-Bit (zero) C-Bit (carry) N-Bit (negative) OVR-Bit (overflow) Beachten Sie bitte, daß die ALU des AM2901 bei einer Subtraktion (A B) den Ausdruck (A + B + 1) berechnet, wobei B das Einerkomplement von B ist. 3.2 Der Maschinenbefehl JMP [r0] soll mithilfe eines Mikroprogramms realisiert werden. Der Befehl führt einen unbedingten, indirekten Sprung im Maschinenprogramm aus. Im Register 0 steht dabei die Adresse einer Speicherzelle. In dieser Zelle ist die eigentliche Zieladresse des Sprungs gespeichert. Das Mikroprogramm steht ab Adresse 20 im Mikroprogrammspeicher Ergänzen Sie die folgende Beschreibung der Aktionen, die die einzelnen Mikroinstruktionen durchführen. Instruktion 20 Der Inhalt von Register 0 wird Ein Lesezyklus auf dem Hauptspeicher wird gestartet. Instruktion 21 Der vom Hauptspeicher an den Datenbus gelegte Wert wird in geladen. Ein Rücksprung zu IFETCH wird durchgeführt Ergänzen Sie das Mikroprogramm auf den Seiten 12 und

13 Lösung Aufgabe IE I3 I2 I1 I0 KMUX 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 Interrupt Konstante Src Func Dest RA Addr RB Addr Aufgabe 3.1 AM DI S X X DI S 11 X X Aufgabe3.2 DI S 20 X X X ZA ADD NOP M 0 X R DI 21 X X X S Aufgabe 3.1 (für Korrekturen) DI 10 X X S DI S 11 X X Aufgabe 3.2 (für Korrekturen) DI 20 X X X S ZA ADD NOP 0 M R X DI 21 X X X S 12

14 Lösung Aufgabe 3 (Fortsetzung) BSEL ABUS* DBUS* I12 I11 Y- CIN MUX MUX I9 I8 I7 I6 Schiebesteuerung CEMUE* CEM* I5 I4 I3 I2 I1 Statusregister Test I0 CCEN* I3 I2 I1 AM2910 Befehle 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* AM2904 AM2910 BZ IR HS X X X CONT X X 77 8 P S CJP IFETCH X A B H CI0 X HH X X CONT X H H H H H R P X HH X CJP IFETCH S R X X X CONT X X 77 8 P S CJP IFETCH CI0 X HH X CONT X X A B H X H H H H H R X HH P X CJP IFETCH S R 13

15 Aufgabe 4 Multiple-Choice-Aufgabe Kreuzen Sie bei den folgenden Aufgaben richtig an, falls die Aussage stimmt, ansonsten falsch. 4.1 Allgemeine Fragen zu Rechnern Kreuzen Sie an, ob die Aussagen bei einem Rechner nach dem von Neumann- Prinzip richtig oder falsch sind Die Struktur des Rechners ist dem jeweils zu lösendem Problem anzupassen Der Datenspeicher ist mindestens doppelt so groß wie der Programmspeicher Über das Verhältnis Datenbusbreite zu Adreßbusbreite wird keine Aussage gemacht Die Tastatur als wesentliches Eingabemedium wird direkt an die Zentraleinheit (CPU) angeschlossen Rechner können durch Programmiersprachen (wie z.b. C) prinzipiell nicht beschrieben werden VHDL ist die einzige Beschreibungssprache für Rechner 14

16 4.2 Fragen zur CPU Zur Abarbeitung von Gleitkommazahlen ist bei allen 80x86-CPUs ein Coprozessor notwendig, sofern dieser nicht bereits integriert wurde Bei einem 8086 ist ein Speichersegment maximal 64 kb groß Die Datenstruktur-Semantik beim Stack der 80x86-CPU gleicht einem FIFO Bei Inkrement-Befehlen wird bei Überlauf das Carry-Flag gesetzt Bei den 80x86-CPUs gibt es nur Allzweckregister. 4.3 Fragen zur Mikroprogrammierung Speicher und Register sind grundlegende Objekte, die in einer Register- Transfer-Maschine betrachtet werden Bei einem horizontalen Mikroinstruktionsformat ist eine Dekodierung erforderlich Alle Mikroinstruktionen eines Mikroprogramms werden parallel ausgeführt Bei einem vertikalen Mikroinstruktionsformat können die Mikroinstruktionen schneller abgearbeitet werden als bei einem horizontalen Mikroinstruktionsformat, da sie weniger Bits brauchen. 15

17 4.3.5 Bei einem quasihorizontalen Mikroinstruktionsformat benötigen die Mikroinstruktionen weniger Bits als bei einem horizontalen Mikroinstruktionsformat Alle Mikrooperationen einer Mikroinstruktion werden parallel ausgeführt Fragen zu Schaltungstechnik Die Konjunktion ist die UND-Verknüpfung der Eingangsgrößen Die Disjunktion ist die UND-Verknüpfung der Eingangsgrößen Bei der Konjuktion ergibt sich aus der Verknüpfung der beiden Signale A und A eine logische Nach dem Gesetz von De Morgan gilt: (A B) = ( A B); Für eine Eingangsgröße gilt: A A = A A; Nach dem Absorptionsgesetz gilt: A (A B) = B; 16

18 Zusätzlicher Platz für Lösungen - Bitte immer Aufgabennummer angeben! Lösung für Aufgabe:... 17

19 Lösung für Aufgabe:... 18

20 Lösung für Aufgabe:... 19

21 Lösung für Aufgabe:... 20

22 Lösung für Aufgabe:... 21

23 Lösung für Aufgabe:... 22

24 Lösung für Aufgabe:... 23

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