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1 Übung Nr. 1b: MIKROPROZESSOR, Hewlett - Packard µ-lab en sind kleine Computer, die mit externen Geräten Daten austauschen können. Sie verfügen über Speicher, um Programme und Daten zu speichern und Eingangsund Ausgangstore, um mit anderen Geräten zu verkehren. Das Grundsystem wird Mikrocomputer genannt und die über Eingangs/Ausgangstore verbundenen Geräte werden als Peripheriegeräte bezeichnet. Die einzelnen Komponenten werden mittels Adreß-, Datenund Steuerbusleitungen verbunden. Die Daten (Befehle und numerische Daten) werden in Form von BIT-Folgen verarbeitet. BIT (binary digit): einstellige Ziffer: Eins oder Null (1 od. 0) bzw. high or low BYTE:zu Worten zusammengefaßte Bits. Besonders ältere en haben oft noch eine Wortlänge von acht Bits. Der Speicher ist auch heute noch in Bytes zu je 8 BIT organisiert. Die Speicher eines Mikrocomputers können eine bestimmte Anzahl von BIT-Wörtern (Bytes) speichern: z.b: 1 K = 210 = Speicherarten: RAM: (random access memory): frei adressierbarer Lese/ Schreib - Speicher ROM: (read only memory): Festwert- oder Permanentspeicher, der nur gelesen werden kann. Bei der Fertigung des Mikrocomputers wird eine einmalige Programmierung vorgenommen - vom Hersteller - sodaß die Funktion des Bausteins endgültig festgelegt ist. PROM: EPROM: (programable ROM): Der Anwender programmiert diese ROMs selbst. Die Programme können dann nicht mehr geändert werden. Wiederholt vom Anwender neu programmierbare PROMs. Der des µlab besitzt einen 2K ROM - Speicher und einen 1 K RAM - Speicher. 1

2 Die Speicherbelegung des µ-lab ist wie folgt organisiert: LED = Leuchtdiode (light emitting diode) Die einzelnen Komponenten des s sind durch Bus - Leitungen miteinander verbunden. Ein Bus besteht aus einer Anzahl von Signalleitungen, die die einzelnen Elemente des Systems parallel verbinden. Diese Signalleitungen übertragen je ein BIT durch die Spannung high (etwa 5 Volt) oder low (etwa 0 Volt). Der Adress - Bus mit 16 Bit wird verwendet, um eine Komponente anzusteuern (Einwegübertragung, geht vom aus). Wenn der eine bestimmte Komponente, angesteuert hat (z.b. eine Speicherstelle - Byte), so überträgt er die Daten über den 8-Bit - Daten - Bus. (Zweiweg-Bus, Übertragung von und zum ). Der Steuer - Bus ist ein Einweg-Bus, über den die Speicher und die Ein/Ausgabe-Einheit angesteuert werden, damit sie bereit sind, zum richtigen Zeitpunkt entweder Daten aufzunehmen oder abzugeben. Im Speicher wird dann in jene Speicherstelle ein ganzes Wort (8 Bit parallel) geschrieben oder von ihr gelesen, deren Adresse an den Adresseingängen anliegt. 2

3 Der tauscht mit allen Komponenten Informationen über die gleichen Datenleitungen des Datenbus aus. Dabei wird jene Komponente, mit der der über den Datenbus verkehren will, angesteuert und die übrigen Bauteile ausgeschaltet (Tri state Eigenschaft, d.h. jede Komponente sieht zwar im Prinzip die Daten aller anderen, ignoriert diese aber). Ein Oszillator (Quarz) dient als Systemtaktgenerator. Dieser Generator synchronisiert alle Bauteile des Systems und bestimmt die zeitliche Steuerung der Arbeitsweise des s (2 MHz - Taktgeber: 1 Takt entspricht etwa 0.5 µs). Für die Ausführung eines Befehls sind aber im Allg. mehrere Taktperioden erforderlich. REGISTER Jeder enthält eine Anzahl von internen Speicherplätzen, die als Register bezeichnet werden. Im Gegensatz zu den Speicherplätzen des RAM, die über die BusLeitungen angesteuert werden, steuert der Prozessor die Register direkt über die eingebaute Steuerlogik an. Jedes Register enthält 1 Byte (8 Bit - Information). Die Register moderner Prozessoren haben BIT-Wortbreiten bis zu 64 BIT. Auch der Datenbus ist heut zu Tage aus Geschwindigkeitsgründen bereits mit viel größeren Wortbreiten ausgestattet d.h. es werden mehrere Bytes parallel übertragen. Folgende Register stehen im Prozessor des µlab zur Verfügung: A..... AKKUMUIATOR FL..... FLAG-REGISTER B,C,D,E,H,L.... ALGEMEINE RECHENREGISTER Weiters: Stapelregister, Programmzähler PC, Interrupt Status Register 3

4 Komponenten des s: ALU: dient zur Bearbeitung der Daten ZWISCHENREGISTER: Hilfsspeicher (kein Zugriff für den Programmierer möglich) FLAG-REGISTER: enthält Flipflops, die auf gewisse Zustände hindeuten (negative Zahl, Übertrag, Overflow, usw.) BEFEHLSREGISTER, DEKODER, PC und die Steuer- und Zeitgeber-Logik werden dazu verwendet, Anweisungen aus den Speichern zu holen und ihre Ausführung zu steuern. Spezielle Register: AKKUMULATOR: In diesem Register werden fast alle Rechenoperationen zwischengespeichert FLAG-REGISTER: enthält logische Schalter für verschiedene Kontrollzwecke: Vorzeichenschalter, Übertrag, Parity-bit (Prüfbit) Null-Bit. Die Flag-Register werden nach jedem Befehl neu gesetzt. PC REGISTER (program-counter): Dieses Register enthält immer die Adresse des nächsten auszuführenden Programmbefehls. Der Inhalt des PC wird auf den Adreßbus gelegt, wenn eine Anweisung aus dem Speicher gelesen werden soll. Die adressierte Anweisung erscheint dann auf dem Datenbus. Wenn der Prozessor die Anweisung gelesen hat, wird der PC erhöht bzw. bei einer Sprunganweisung wird die Sprunganweisung in den PC geladen. 4

5 ASSEMBLER - PROGRAMME Eine Anweisung im Binärcode z.b lautet hexdezimal "3C". Dieser Maschinencode wird durch eine Kurzbezeichnung, einen mnemonischen Code (= Abkürzung des Befehlswortlautes zur besseren Lesbarkeit durch den Programmierer) ersetzt. Beim 8085 bedeutet z.b.: 3 C... Inkrementiere das A-Register die Kurzbezeichnung dafür lautet: INR A (increment register A) Jeder Anweisung wird ein Code zugeordnet und Programme, die in dieser Form geschrieben sind, heißen Assembler-Programme. Programmbeispiel: ZÄHLEN BIS ZEHN BASIC - Programm: COUNT = 0 COUNT = COUNT + 1 IF COUNT = 10 THEN GOTO 5 GOTO 2 STOP ASSEMBLER gleiches Programm wie oben (für Prozessor 8085): MVI A,0 LOOP INR A CPI 10 JZ ENDE JMP LOOP ENDE HLT A - Register (Akkumulator) Null gesetzt (MVI = move immediate) Inkrementiere A - Register Vergleiche A-Register mit 10 (CPI = compare immediate, hier wird als Operation einfach eine Subtraktion durchgeführt, die bei Gleichheit null ergibt) Gehe zu ENDE, wenn 10 erreicht ist (JZ = jump to... on zero, wenn vorhergehender Vergleich null ergeben hat) Wiederhole (JMP = jump to.., springe zur Adresse...) Halt Die Marken (= labels ) wie z.b. das Wort Loop bezeichnen Stellen des Programms, die als Sprungziele oder als Startadressen für Unterprogramme dienen können. 5

6 Dasselbe Programm in MASCHINENSPRACHE: Speicheradresse (memory adress) Speicherinhalt (memory contents) hexadezimal A 080b binär 3E 00 3C FE 0A CA 0b 08 C E ist der Opcode (Operationscode) für die Anweisung MVI A, dies bedeutet, daß das direkt darauf folgende Byte in den Akkumulator zu laden ist. Die nächste Speicherstelle (0801) enthält das zu ladende Byte (null). Die dritte Speicherstelle enthält den Opcode für die Anweisung INR A (3 C), das Inkrementieren des Akkumulators. FE ist der Opcode für die Anweisung CPI, die unmittelbar darauf folgende Speicherstelle enthält das mit A zu vergleichende Byte (dezimal 10 entspricht hexadezimal 0A). Wenn 10 erreicht ist und der Vergleich positiv ausgeht (d.h. Subtraktion ergibt null ) wird das Zero-FLAG gesetzt. Die Anweisung JZ hat den Opcode CA (Sprung, wenn Zero-FLAG gesetzt ist). Die beiden folgenden Speicherstellen enthalten die zugehörige Sprungadresse - zuerst den niederwertigen und dann den höherwertigen Teil von 080b: zuerst 0b dann 08. Die Anweisung JMP besitzt den Code C 3 und unmittelbar anschließend steht wieder die Sprungadresse, die hier grundsätzlich aus 2 Bytes besteht. Beendet wird das Programm mit dem Byte 76, was der Opcode für HALT ist. Ein Programm kann nur in Maschinensprache direkt ins µ-lab eingegeben werden. Die Übersetzung von hexadezimal in binär führt das Lab selbst durch. Der mnemonische Code für den 8085 ist in weiter unten stehender Tabelle dem einzugebenden Opcode gegenübergestellt. 6

7 BEFEHLSZYKLUS Der Befehlszyklus setzt sich aus dem Abrufzyklus und dem Ausführungszyklus zusammen. Beim Abrufzyklus gibt das Befehlsregister die Informationen,an den Befehlsdekoder weiter. Der Befehlsdekoder erkennt den Opcode und erzeugt Steuersignale für die Zeitgeber- und Steuer- Schaltkreise. Diese verhalten sich wie ein Prozessor innerhalb des s. Ein ROM innerhalb eines Mikro- Prozessor- IC enthält einen Mikrocode, der den Prozessor genauestens anweist, was er bei der Ausführung jeder Anweisung (in Maschinensprache) zu tun hat. Im Ausführungszyklus wird die eigentliche Arbeit verrichtet. Es gibt vier Grundarten von Operationen: a) Daten vom Speicher oder Eingangstor lesen b) Daten in den Speicher oder das Ausgangstor senden c) Operation wird intern im Prozessor ausgeführt (z.b. Register- Operationen) d) Die Kontrolle wird an eine andere Speicherstelle übertragen (Sprungbefehle, Unterprogrammaufruf usw.) Wenn die entsprechende Operation ausgeführt ist, wird dies durch das Mikro-programm-der Steuerlogik angezeigt. Der PC wird inkrementiert und das nächste Byte des Programmes wird in das Befehlsregister geladen. MASCHINENZYKLUS Die Durchführung eines Maschinenbefehls (Befehlszyklus) erfolgt in einem oder mehreren Maschinenzyklen. Der erste Maschinenzyklus jeder Anweisung besteht aus dem Abruf des Opcodes. Ein weiterer Maschinenzyklus wird dann benötigt, wenn es sich um einen Speicherzugriff oder um eine Ein/Ausgabe handelt, damit die Datenübertragung stattfinden kann. Im HARDWARE - EINZELSCHRITT - Modus wird bei jedem Drücken der Taste ein Maschinenzyklus ausgeführt. Jeder Maschinenzyklus besteht aus einem oder mehreren Takten, deren Länge konstant ist und durch die Zeitgeberlogik kontrolliert wird. Im Befehls-Einzelschrittmodus wird bei jedem Drücken der Taste ein Befehlszyklus ausgeführt. Beispiele. a) Input - Tor : LED - Anzeige im HARDWARE - Mode b) im SINGLE - STEP - Mode 7

8 BEDEUTUNG DER TASTEN des µ-lab RESET: a) Stoppt ein laufendes Programm b) oder - falls kein Programm läuft - bringt den in einen definierten Grundzustand RUN: HDWR STEP: Startet ein Programm (Hardware step) Exekutiert einen einzelnen Maschinenzyklus eines Programmes (Instruction step) Exekutiert einen einzelnen Maschinenbefehl (Befehlszyklus) eines Programmes (Interrupt) Ermöglicht einen user-definierten Hardware Interrupt (Fetch Program Counter) Zeigt den Inhalt des Programmzählers Eingabe einer Speicheradresse samt Inhalt Zeigt Registerinhalt beginnend mit Register A an. Mit STORE/INCR: Zugang zu allen übrigen -Registern Speichert Eingabe in die angegebene Adresse oder Register und erhöht Adresse um 1 bzw. zeigt nächstes Register INSTR STEP: INTRPT: FETCH PC: FETCH ADDRS: FETCH REG: STORE/INCR: DECR: Vermindert Adresse um 1 bzw. zeigt vorhergehendes Register Beispiel: Überprüfung von Registerbefehlen mit FETCH REG 8

9 9

10 10

11 Übung 1 Exekution eines bereits gespeicherten Programmes a) FETCH ADRS: b) 05F9 c) RUN d) RESET µlab wartet auf die Eingabe einer Adresse Dies ist die Startadresse für das Programm "Raketenzündung", das im Monitorprogramm des ROM gespeichert ist. Starten des Programmes Stoppen des Programmes Übung 2 Wirkungsweise der Adreß- und Datenbusleitungen Das folgende Programm liest die Bitfolge vom Eingangstor und zeigt sie an der LEDAnzeige am Ausgangstor. START: LDA 2000 CMA STA 3000 JMP START a) (Lade Inhalt von Adresse 2000 in den Akkumulator, LDA = load A from address) (Komplementbildung des Inhaltes von A, da die Ausgangs- LED's mit negativer Logik betrieben werden, d.h. null für Leuchten u. umgek.) (Speichere Inhalt des Akkumulator auf Adresse 3000 ( = LEDs, STA = store A to address) (Sprung zur Adresse des Anfangs) Kodieren des Programmes

12 b) c) Überprüfen des Code Exekution des Programmes mit INSTR STEP: Bei jedem Drücken der Taste wird ein vollständiger Befehlszyklus durchgeführt. Übung 3 Verwendung von Systemunterprogrammen: Es soll ein Programm entworfen werden, daß nach Eingabe einer bestimmten Folge von zwei Zahlen (z.b. 4E ) einen Beep-Ton-erzeugt. Dazu stehen zwei Systemroutinen zur Verfügung. Name Startadresse Zweck KIND 014b BEEP 0010 Lesen der Tastatur und übertragen der gedrückten HEX-Zahl in den Akkumulator Beep-Ton Generator a) Erstellen eines Flußdiagrammes b) Kodierung des Flußdiagrammes (Startadresse: 0800) 12

13 c) Eingabe des Programmes und Testen 13

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