Fehlerkorrektur Bild Demoprozessor

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1 7 Prozessor 3 0 Flags C V N Z A IP 0 SP AB 8 MS W/R DB 4 00h..6Fh Daten Speicher 70h..70h PA 71h..71h PB 72h..73h PC 74h..76h PD 80h..FFh Programm Speicher Fehlerkorrektur Bild Demoprozessor Die Adressverteilung in Bild enthält einen Adresskonflikt. Port D soll die Adressen 74h..76h belegen. Aufgabe In der Assemblersprache des Demoprozessors soll ein Multiplikationsprogramm erstellt werden, das den Inhalt der Speicherzelle 10h mit dem der Speicherzelle 11h multipliziert und das Ergebnis in den Speicherzellen 12h und 13h ablegt. Lösung: Da der Demoprozessor in seinem Befehlssatz keinen Multiplikationsbefehl hat, ist zum Multiplizieren ein Multiplikationsprogramm erforderlich. Eine Möglichkeit ist Multiplizieren durch mehrfaches Addieren, z. B. 5 7 = Da das Programm für verschiedene Zahlen einsetzbar sein soll, werden Variablen benutzt, die mit Anfangswerten initialisiert werden und deren Werte sich im Verlauf der Programms ändern. Als Pseudocode wird der Programmentwurf mit Hilfe von Umgangssprachlichen Beschreibungen und einfachen mathematischen Symbolen bezeichnet. Bei der Weiterentwicklung zum lauffähigen Programm kann der Pseudocode zur Kommentierung der Befehlszeilen werden. Der Pseudocode für das Multiplikationsbeispiel 5 7 : Multiplikator = 5 Multiplikand = 7 Produkt = 0 Wiederhole Produkt = Produkt + Multiplikand Multiplikator = Multiplikator - 1 solange Multiplikator > 0 Hinweise zum Programm: Das Ergebnis einer Multiplikation erfordert zu seiner Darstellung so viele Bits, wie Multiplikator und Multiplikand zusammen. Bei Mikroprozessoren,die über einen Multiplikationsbefehl verfügen, belegt das Ergebnis einer Multiplikation in der Regel zwei Register. Auch beim Multiplikationsprogramm für den Demoprozessor sind für den Multiplikand und das Produkt jeweils zwei 4-Bit-Worte notwendig, das most signifikant word msw und das least signifikant word lsw. Die Doppelwort-Addition wird in zwei Schritten durchgeführt: erst werden die lsw und dann die msw von Produkt und Multiplikand addiert, ein dabei eventuell auftretender Übertrag (C-Flag) wird vom adc-befehl berücksichtig. Da es beim Demoprozessor einen Additionsbefehl ohne Berücksichtigung des C-Flags nicht gibt, muss dieses vor dem ersten adc-befehl auf 0 gesetzt werden. Da der Demoprozessor nicht über einen speziellen Befehl für diesen Zweck verfügt, geschieht dies mit dem ldc-befehl. Als Zähler für die Wiederholung dient der Multiplikator. Für das Vermindern des Zählers um 1 muss ein Speicherplatz mit dem Wert 1 versehen werden, da der Demoprozessor nicht über einen Dekrement-Befehl verfügt und der einzige vorhandene Subtraktions-Befehl den Inhalt einer Speicherzelle vom A-Register subtrahiert. Der Rücksprung auf den Schleifenanfang kann nicht direkt mit dem bne-befehl erfolgen, da die Sprungdistanz auf -8 bis +7 begrenzt ist, es werden daher zusätzlich jmp-befehle eingesetzt.

2 Quelltextdatei mult1.ass: ldc 5 ; Multiplikator Eingabe sta $12 ; Multiplikator setzen ldc 7 ; Multiplikant Eingabe sta $11 ; Multiplikant setzen ldc 0 ; Null laden sta $10 ; msw Multiplikant initialisieren sta $20 ; msw Produkt initialisieren sta $21 ; lsw Produkt initialisieren ldc 1 sta $01 ; konstante 1 initialisieren loop ldc 0 ; C-Flag auf 0 setzen lda $21 ; lsw Produkt laden adc $11 ; lsw Multiplikant addieren sta $21 ; lsw Produkt speichern lda $20 ; msw Produkt laden adc $10 ; msw Multiplikant addieren sta $20 ; msw Produkt speichern ldc 0 ; C-Flag auf 0 setzen lda $12 ; Multiplikator laden sbc $01 ; 1 subtrahieren sta $12 ; Multiplikator speichern bne nochmal jmp schluss nochmal jmp loop schluss lda $20 ; msw Produkt laden lda $21 ; lsw Produkt laden lende jmp $ff ; Prozessor halt Eine effizientere Lösung entsteht durch Anwendung des Prinzips Schieben und Addieren. Dabei wird der Multiplikand immer dann addiert, wenn das entsprechende Bit des Multiplikators = 1 ist und anschießend der Multiplikand so wie die Bitmaske für den Multiplikator um eine Stelle nach links geschoben. Da der Demoprozessor nicht über einen Schiebebefehl verfügt, wird das Linksschieben durch Verdoppeln mit Hilfe des Additionsbefehls realisiert. Quelltextdatei mult2.ass: lsp 6f ; stack initialisieren ldc 5 ; Multiplikant Eingabe sta 11 ; Multiplikant setzen ldc 7 ; Multiplikator Eingabe sta 12 ; Multiplikator setzen ldc 0 ; Null laden sta 10 ; msw Multiplikant initialisieren sta 20 ; msw Produkt initialisieren sta 21 ; lsw Produkt initialisieren ldc 1 sta 01 ; Bitmaske initialisieren zeile lda 12 ; Multiplikator laden and 01 ; Multiplikatorbit Testen bne plus ; Addiere wenn Bit = 1 jmp noadd ; Addiere nicht wenn Bit = 0 plus ldc 0 ; C-Flag auf 0 setzen lda 21 ; lsw Produkt laden adc 11 ; lsw Multiplikant addieren sta 21 ; lsw Produkt speichern lda 20 ; msw Produkt laden adc 10 ; msw Multiplikant addieren sta 20 ; msw Produkt speichern noadd ldc 0 ; C-Flag auf 0 setzen lda 11 ; lsw Multiplikant laden

3 adc 11 ; lsw Multiplikant addieren sta 11 ; lsw Multiplikant * 2 speichern lda 10 ; msw Multiplikant laden adc 10 ; msw Multiplikant addieren sta 10 ; msw Multiplikant * 2 speichern ldc 0 ; C-Flag auf 0 setzen lda 01 ; Bitmaske laden adc 01 ; Bitmaske addieren sta 01 ; Bitmaske * 2 speichern bcc nochmal jmp schluss nochmal jmp zeile schluss lda 20 ; msw Produkt laden lda 21 ; lsw Produkt laden lendlos jmp lendlos ; Prozessor halt Die Programmbeispiele zeigen, dass mit einem einfachen und leicht zu realisierenden Befehlssatz die Programmierung umständlich und die Programmausführung ineffizient ist. Aus diesem Grund haben die meisten Mikroprozessoren einen deutlich mächtigeren Befehlssatz. Aufgabe Zeigen Sie mit Zahlenbeispielen, dass der Zweierkomplementüberlauf mit einem Antivalenzgatter wie in Bild festgestellt werden kann. Lösung Da der Zweierkomplementüberlauf in Bild nur aus dem letzten und dem vorletzten Übertrag gebildet wird, kann die Untersuchung mit 2-Bit-Zweierkomplementzahlen (Wert = -d d 0 2 0, Wertebereich von -2 bis +1) durchgeführt werden, was sie Anzahl der zu untersuchenden Wertepaare einschränkt (es bleiben nur 6) : = 10 (c 1 =1, c 2 =0), in : 1+1 = -2, also Zweierkomplementüberlauf (V-Flag = 1) = 11 (c 1 =0, c 2 =0), in : 1-2 = -1, also kein Zweierkomplementüberlauf (V-Flag = 0) = 00 (c 1 =1, c 2 =1), in : 1-1 = 0, also kein Zweierkomplementüberlauf (V-Flag = 0) = 00 (c 1 =0, c 2 =1), in : -2-2 = 0, also Zweierkomplementüberlauf (V-Flag = 1) = 10 (c 1 =1, c 2 =1), in : -1-1 = -2, also kein Zweierkomplementüberlauf (V-Flag = 0) = 11 (c 1 =0, c 2 =1), in : -2-1 = -1, also Zweierkomplementüberlauf (V-Flag = 1) Die Beispiele zeigen, dass bei einem Zweierkomplementüberlauf die Überträge c 1 und c 2 (in Bild c 3 und c 4 ) ungleich sind, was mit einem Antivalenzgatter detektiert werden kann. Aufgabe Der Befehl BVC des Demoprozessors soll durch den Befehl BGE (Branch, if Greater or Equal; Verzweige, wenn größer oder gleich, bezogen auf eine vorangegangene Subtraktion von Zweierkomplementzahlen) ersetzt werden. Geben Sie die Änderung des Mikroprogramms in tabellarischer Form an und stellen Sie den Ablauf des neuen Befehls als Zustandsfolgediagramm dar. Lösung Der Akkumulator A soll vor einer Subtraktion A - Oprd größer als oder gleich dem Operand Oprd gewesen sein, damit diese Sprungbedingung erfüllt ist. Welche Flags für diese Bedingung relevant sind, soll an Zahlenbeispielen gezeigt werden (das C-Flag wird bei Zweierkomplementzahlen ignoriert):

4 A A binär Operand Operand binär 2er-Kompl. d. Oprd. Ergebnis binär Ergebnis 4-Bit-Erg nein ja ja ja ja ja nein nein nein GE = N V N V = N V Flag N Flag V Flag Z Bedingung GE erfüllt Ein Überlauf des Wertebereichs für 4-Bit-Zweierkomplementzahlen liegt dann vor, wenn das Ergebnis das Intervall überschreitet. Die Operation in der letzten Zeile lässt sich nur mit einem Additionsbefehl und Operand -8 realisieren, da +8 nicht als 4-Bit-Zweierkomplementzahl nicht Z darstellbar ist. Da N und Z niemals gleichzeitig gleich 1 sein können (N ist gleich dem höchstwertigsten Bit im Akkumulator) kommen zwei der 8 möglichen Kombinationen von Z, V und N nicht vor und werden in der KV-Tafel mit X N 0 X X 1 gefüllt. Als Gleichung für die Bedingung GE (greater or equal) ergibt sich: V D D= : IP IP+1 V=0 V=1 N=0 : IP IP+1 N=1 : IP IP+1+ D N=0 : IP IP+1+ D N=1 : IP IP+1 Im Mikroprogramm muss ein Verzweigungsbefehl realisiert werden, der zwei Flags auswertet. Wegen der ROM-MUX-Struktur des Steuerwerks kann aber immer nur ein Flag ausgewertet werden, die Abfrage des Flags muss also nacheinander erfolgen. Wenn N und V gleich sind, wird die Sprungdistanz D zum Instruktionszeiger IP addiert. Änderungen in Tabelle 3.68 Mikroprogramm A 6..A 1 A 0 FA Steuerwort Beschreibung Mn 00 X XX Befehlsregister laden V=0 IP IP+0 BGE V=1 IP IP+0 BGE N=0 IP IP+1 BGE N=1 IP IP+1+D BGE N=0 IP IP+1+D BGE N=1 IP IP+1 BGE Bei Mikroprogrammadresse 15h ist Steuerbit 19 = 0, damit IP nicht inkrementiert wird und die Steuerbits s 23 und s 22 sind 10 2, damit der Multiplexer das V-Flag abfragt, und bei den Mikroprogrammadressen 16h und 17h sind die Steuerbits s 23 und s 22 sind gleich 01 2, damit der Multiplexer das N-Flag abfragt.

5 Aufgabe Ein Schalter soll an ein Port des Demoprozessors so angeschlossen werden, dass die Schalterstellung durch ein entsprechendes Programm abgefragt und durch die LED entsprechend Aufgabe angezeigt wird (Schalter offen: LED aus, Schalter geschlossen : LED ein). Geben Sie die Schaltung und das Programm (Portinitialisierung, Schalterabfrage und LED-Ansteuerung) an, wenn: a) der Schalter an Bit 1 und LED an Bit 0 von Port B, b) der Schalter an Bit 1 und LED an Bit 0 von Port C und c) der Schalter an Bit 1 und LED an Bit 0 von Port D angeschlossen sind. Für Beispiele und Aufgaben soll angenommen werden, das die Ports des Demoprozessors wie folgt realisiert sind: Port A : unidirektional (Bild 3.204), Port B : low-dominant (Bild 3.205), Port C : mit umschaltbarer Datenflußrichtung (Bild 3.205) und Port D : mit umschaltbarer Datenflußrichtung und Pull-Up-Widerstand (Bild 3.206). Lösung a) Port B, Bit 0 Port B, Bit 1 +U B R LED S GND Port B ist low-dominant (Bild 3.205), das heißt es der Ausgang liefert im Low-Zustand die größte Stromstärke. Deshalb wird die LED + Vorwiderstand zwischen +UB und Port B, Bit 0 angeschlossen. Die LED wird durch Schreiben einer 0 in Bit 0 von Port B eingeschaltet. Das low-dominante Port hat keine explizite Umschaltung der Datenflussrichtung, ein Portpin im High-Zustand kann als Eingang benutzt werden. Der geschlossene Schalter S kann als stärkeres Low-Potential betrachtet werden. Bei einem Lesezugriff auf das Port werden nicht die Portregister sondern die Pin-Zustände gelesen. Port B ist bei Adresse 71h im Adressraum des Demoprozessors angeordnet Programm zu a) ldc $F ; binär 1111 sta $71 ; alle Ausgänge von Port B auf 1 ldc $2 ; binär 0010, zum Testen von Bit 1 sta $0 ; Speicherzelle 0 als Bitmaske loop lda $71 ; Port B Lesen and $0 ; mit Bitmaske testen bne led0 ; Bit gleich 1, Schalter offen ldc $E ; binär 1110 sta $71 ; LED einschalten led0 ldc $F ; binär 1111 sta $71 ; alle Ausgänge von Port B auf 1, LED aus

6 Lösung b) +U B Port C hat für jedes einzelne Bit eine umschaltbare Datenflussrichtung (Bild 3.205), um ein Portbit als Ausgang benutzen zu können muss eine 1 in das R entsprechende Bit des Datenrichtungsregisters DRR LED R pu geschrieben werden. Wenn die LED + Vorwiderstand R zwischen +UB und Port C, Bit 0 angeschlossen wird, kann sie durch Port B, Bit 0 Port B, Bit 1 Schreiben einer 0 in Bit 0 von Port C eingeschaltet werden. Bei einem als Eingang definierten Portbit (DRR-Bit=0) befindet sich der Anschluss im hochohmigen Zustand. Um S den Zustand des Schalters S abfragen zu können, ist GND deshalb ein externen Pull-Up-Widerstand R pu nötig. Port C belegt im Adressraum des Demoprozessors die Adressen 72h (Datenregister DR) und 73h (Datenrichtungsregister DRR) Programm zu b) ldc $1 ; binär 0001 sta $73 ; DRR schreiben,bit 0 von Port C als Ausgang ldc $2 ; binär 0010, zum Testen von Bit 1 sta $0 ; Speicherzelle 0 als Bitmaske loop lda $72 ; Port B Lesen and $0 ; mit Bitmaske testen bne led0 ; Bit gleich 1, Schalter offen ldc $E ; binär 1110 sta $72 ; LED einschalten led0 ldc $F ; binär 1111 sta $72 ; alle Ausgänge von Port B auf 1, LED aus Lösung c) Port B, Bit 0 Port B, Bit 1 +U B R LED S GND Port D hat für jedes einzelne Bit eine umschaltbare Datenflussrichtung (Bild 3.206), um ein Portbit als Ausgang benutzen zu können muss eine 1 in das entsprechende Bit des Datenrichtungsregisters DRR geschrieben werden. Wenn die LED + Vorwiderstand R zwischen +UB und Port D, Bit 0 angeschlossen wird, kann sie durch Schreiben einer 0 in Bit 0 von Port D eingeschaltet werden. Port D hat separate Adressen für das Schreiben und das Lesen von Portpins. Wenn ein Portpin als Eingang definiert wurde, bekommt das zugehörige Ausgangsbit eine andere Bedeutung: durch Schreiben einer 1 wird ein interner Pull-Up-Widerstand aktiviert, so dass der externe Widerstand entfallen kann. Port D belegt im Adressraum des Demoprozessors die Adressen 74h (Datenregister DR), 75h (Pin Lesen PL) und 76h (Datenrichtungsregister DRR) (siehe auch Fehlerkorrektur zu Bild Demoprozessor)

7 Programm zu c) ldc $1 ; binär 0001 sta $76 ; DRR schreiben,bit 0 von Port D als Ausgang ldc $2 ; binär 0010, zum Testen von Bit 1 sta $0 ; Speicherzelle 0 als Bitmaske ldc $3 ; binär 0011, Bit 0 und Bit 1 gleich 1 sta $74 ; DR schreiben,pull-up-wid. Und LED aus loop lda $75 ; Port D Pins Lesen and $0 ; mit Bitmaske testen bne led0 ; Bit gleich 1, Schalter offen ldc $2 ; binär 0010, Bit 0 = 0 sta $74 ; LED einschalten, Pull-Up erhalten led0 ldc $3 ; binär 0011 Bit 0 und Bit 1 gleich 1 sta $74 ; alle Ausgänge von Port B auf 1, LED aus

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