FAKULTÄT FÜR INFORMATIK

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Eleonora Fleischer
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1 FAKULTÄT FÜR INFORMATIK TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Lehrstuhl für Rechnertechnik und Rechnerorganisation Prof. Dr. Martin Schulz Einführung in die Rechnerarchitektur Wintersemester 217/218 Lösungsvorschlag zur Zentralübung Mikroprogrammierung (1) Leitwerk und Maschinenbefehls-Interpretationsschleife Antworten zu den Fragen im Text Das Leitwerk Festverdrahtete Leitwerke haben den Vorteil, dass sie schneller arbeiten als mikroprogrammierte. Bei einem mikroprogrammierten Leitwerk ist pro Takt immer ein Zugriff auf den Mikroprogrammspeicher notwendig, der relativ viel Zeit kostet und damit die maximal mögliche Taktfrequenz des Prozessors herabsetzt. Mikroprogrammierte Leitwerke sind dafür einfacher zu entwerfen und lassen sich schneller an wechselnde Anforderungen anpassen, da nur der Inhalt des Mikroprogrammspeichers geändert werden muss, während die eigentliche Hardware unverändert bleibt. Da es heute jedoch sehr effiziente Werkzeuge zum Hardware-Entwurf gibt, werden bei modernen Prozessoren wegen des Geschwindigkeitsvorteils meist festverdrahtete Leitwerke eingesetzt. Lösungsvorschläge zu den Aufgaben Aufgabe 6.1 a) Siehe nachfolgende Abbildung. In dem Schaltbild fehlt das Ein-/Ausgabewerk. 1

2 Datenbus Adreßbus Befehls zähler Inkre menter Leitwerk Instruktionsregister OP Kode 4 Registeradressen A 3 B K MUX Y MUX Hauptspeicher Adresse Daten Hauptspeicher Steuerung MWE Adresse Mapping PROM Ausgang OE D Am291 Y MPS MAP CC CCEN I..3 CEM CEµ A MUX CT Am294 I..12 SIO i QIO i I N, I OVR I C, I Z C B MUX Rechenwerk RAM i Qi F3, OVR C n+4,f= C n Am291 Y D A B I HS IR Befehls Branch Am291 Status/ MSR Am294 Am294 Y RB RA Am291 Inter MWE LD zähler Address Konstante Befehle Test µ SR Shift CIN MUX ADDR ADDR Befehle rupt (BAR) Mikroinstruktionsregister CCEN BSEL ASEL KMUX b) Bei unserer mikroprogrammierbaren Maschine ist eine Hauptspeicherzelle 16 Bit breit. Übliche Mikroprozessoren verwenden dagegen 8 Bit breite Speicherzellen. Verwechseln Sie dies bitte nicht mit der Breite des Datenbusses, die bei modernen Prozessoren meist 64 Bit beträgt. Trotzdem hat bei diesen jedes einzelne Byte (= 8 Bit) eine eigene Adresse im Speicher, während der Speicher der mikroprogrammierbaren Maschine nur in Einheiten von 16 Bits adressiert werden kann. Aufgabe 6.2 a) Siehe Mikroprogrammtabelle auf den Seiten 4 und 5. Die Ausgabe des Maschinenbefehlszählers auf den Adressbus in Schritt a wird durch Setzen von BZ EA (MI 2) auf E realisiert 1. Zum Laden des (Maschinen-)Instruktionsregisters in Schritt 1 muss IR LD (MI 1) auf L gesetzt werden. Das Erhöhen des Maschinenbefehlszählers in Schritt 2a erfolgt schließlich einfach durch Programmierung von BZ INC (MI 3) auf I. Die restlichen Steuerbits sind jeweils auf H zu setzen, um unerwünschte Aktivitäten zu verhindern. 1 Wir verwenden stets die mnemotechnischen Bezeichnungen, die in der Beschreibung des Mikroinstruktionsformats definiert sind. Also in diesem Fall E für enable statt. 2

3 b) Bei der MI-Maschine ist die Befehlsdekodierung sehr einfach, da das Befehlsformat fest vorgegeben ist: Im ersten Befehlswort enthalten 8 Bits den Op-Code, je 4 Bits (von denen das höchstwertige allerdings ignoriert wird) bestimmen Quell- und Zielregister des Befehls. Zur Befehlsdekodierung muss also nur das erste Befehlswort in die genannten Felder aufgeteilt werden. Dies geschieht im Instruktionsregister. Zusätzlich muss noch aus dem Op-Code die Startadresse des Mikroprogramms ermittelt werden, das den Befehl realisiert. Dafür wird das Mapping-PROM benutzt. c) Um den Rücksprung zum Mikroprogramm IFETCH zu realisieren, müssen wir den Mikrobefehlszähler mit dem Wert laden. Tabelle 4.1 der Maschinenbeschreibung zeigt, dass dies z. B. der Adressfortschaltbefehl JZ leistet. Er löscht zusätzlich den Keller des Am291, der uns für die Übung jedoch nicht weiter interessiert. Eine andere Möglichkeit bietet der Adressfortschaltbefehl CJP, der den Mikrobefehlszähler mit dem Wert lädt, der am D-Eingang des Am291 anliegt. Dieser Eingang ist mit dem BAR-Feld (Branch-Address bzw. Direktdatenfeld, Bits 6..17) des Mikroinstruktionsregisters verbunden, so dass dieses mit dem Wert zu belegen ist. Tabelle 4.1 zeigt, dass CJP aber nur dann die Adresse vom D-Eingang liest, wenn eine PASS Bedingung vorliegt. Wir können diese erzwingen, indem wir CCEN = P S programmieren. 3

4 IE KMUX K15 K14 K13 K12 K11 K1 K9 K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 K I5 I4 I8 I7 I6 A3 A2 A1 A ASEL B3 B2 B1 B BSEL Interrupt Konstante Src Func Dest RA Addr RB Addr AM291 IFE TCH 1 2 4

5 ABUS* DBUS* 2 1 I9 I8 I7 I6 CEMUE* CEM* I5 I4 CCEN* D11 D1 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D BZ_LD* BZ_ED* BZ_INC* BZ_EA* IR_LD* MWE* Y MUX CIN MUX Schiebe steuerung Statusregister Test AM291 Befehle Direktdaten AM294 AM291 BZ IR HS H H X X H H X X CONT X H H H E H R H H X X H H X X CONT X H H H H L R H H X X H H X X JMAP X H H I H H R 5

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