4. Mikroprogrammierung (Firmware)

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1 4. Mikroprogrammierung (Firmware) 4. Ein Mikroprogramm-gesteuerter Computer 4.2 Mikroprogramm-Beispiel: Multiplikation 4.3 Interpretation von Maschinenbefehlen durch ein Mikroprogramm 4. Mikroprogrammierung Zwei Techniken zur Implementierung von Maschinenbefehlen in Hardware: Die Ausführungsschritte für jeden einzelnen Maschinenbefehl werden direkt in Hardware implementiert. Dies führt bei einer typischen Anzahl von Maschinenbefehlen (ca. 256) zu sehr aufwendigen Schaltnetzen und Schaltwerken. Einführung einer Zwischenebene: Mikroprogrammierung. Ein Befehl des Mikroprogramms (Mikroinstruktion) besteht aus einer Bitfolge, die unmittelbar die Steuersignale für die Schaltnetze und Schaltwerke des Rechners darstellt. Eine Mikroinstruktion ist also sehr schnell und einfach ausführbar. Die Befehle der Maschinensprache werden durch Mikroprogramme interpretiert. Der Mikroprogrammspeicher kann neu geladen werden. Dadurch lassen sich verschiedene Befehlssätze flexibel implementieren. 4. Mikroprogrammierung 4-4. Mikroprogrammierung 4-2

2 Ein Mikroprogramm-gesteuerter Computer Aufbau der Mikroinstruktionen Jedes Bit der Mikroinstruktion entspricht einem Steuersignal! Abarbeitung einer Mikroinstruktion in fünf Phasen, die vom Taktgeber (Clock) vorgegeben werden. Taktgeberphase Steuersignale, die eingeschaltet werden können Die mit Phase 5 gekennzeichneten Steuersignale 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-4

3 Die fünf Phasen Phase und 2: Addition, Subtraktion, Verschieben und Abspeichern in Registern Phase 3: Lesen und Schreiben im Hauptspeicher Phase 4: Addition/Subtraktion von Adressen Phase 5: Neuberechnung des Befehlszählers (MPC), der den nächsten auszuführenden Mikro-Befehl bestimmt 4.2 Ein Mikroprogrambeispiel: Ganzzahl-Multiplikation Der folgende Algorithmus beschreibt die Multiplikation von positiven ganzen Zahlen per Mikroprogramm. Es wird angenommen, dass die beiden Multiplikanden und das Ergebnis mit 6 Bits dargestellt werden können. Modul Multiplizieren { Multipliziert den Inhalt von Register C mit dem Inhalt von Register A und speichert das Ergebnis in die Hauptspeicherstelle } Setze MDR auf 0 Wiederhole A-mal Addiere C zu MDR Bringe in MAR und veranlasse Schreiben in den Hauptspeicher Die Zahl in Register C wird A-mal aufaddiert, das Resultat wird in Register MDR berechnet. Wir nehmen an, dass wir den Mikroprogrammspeicher durch einen nicht näher beschriebenen Mechanismus geladen haben. 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-6

4 Mikroprogramm zur Multiplikation Symbolische Schreibweise für Mikroprogramme () Mikroanweisung Darstellung in Nullen und Einsen leicht lesbar für den Rechner, schwer lesbar für den Menschen. Deshalb führen wir eine symbolische Darstellung ein. Mikrospeicheradressen Mikroprogramm zur Multiplikation Mikro- Mikroanweisung Erläuterung speicheradresse 0 0+0ÆMDR; MPC+Æ MPC Initialisieren von MDR MPC+TESTZEROÆMPC Prüfen, ob A gleich Null 2 5ÆMPC Ja: Verlassen der Schleife 3 C+MDRÆMDR; MPC+ÆMPC Nein: Addiere C zu MDR 4 A-ÆA; 0+ÆMPC Vermindere A und gehe zum Schleifenanfang 5 0+ÆMAR; write; MPC+ÆMPC Schreibe das Produkt in Speicherstelle 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-8

5 Komplexität des Mikroprogramms Effizienterer Algorithmus zur Multiplikation () Dieses Programm ist allerdings sehr ineffizient! Komplexitätsanalyse: Drei Mikroinstruktionen im Schleifenrumpf bei 6-Bit-Operanden maximal = Schleifendurchläufe im ungünstigsten Fall ca Mikroinstruktionen! Angelehnt an den Schulalgorithmus für Dezimalzahlen: Wiederholtes Linksverschieben des ersten Multiplikanden und Addition genau dann, wenn der zweite Multiplikand an der aktuellen Stelle ein -Bit hat =C x =A C einmal verschoben C zweimal verschoben Produkt 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-0

6 Effizienterer Algorithmus zur Multiplikation (2) Effizienterer Algorithmus zur Multiplikation (3) Implementierung mit kleiner Modifikation: Beginn mit dem Bit links außen von A (wir rechnen von unten nach oben) Jeweils sofortiges Aufaddieren in MDR und Linksverschiebung von MDR Einfügen eines -Bits in A nach dem ersten Schritt zur Markierung des Endes der Multiplikation. Modul Multipliziere { Multipliziert den Inhalt von Register C mit dem Inhalt von Register A und belässt das Ergebnis in Register MDR } Setze MDR auf Null Falls das äußerst linke Bit von A gleich ist dann addiere C zu MDR Verschiebe MDR um eine Bitposition nach links Verschiebe A um eine Bitposition nach links Addiere zu A Solange bei A irgendein anderes Bit als das äußerste linke auf steht, führe aus Falls das äußerst linke Bit von A gleich ist dann addiere C zu MDR Verschiebe MDR um eine Bitposition nach links Verschiebe A um eine Bitposition nach links 4. Mikroprogrammierung 4-4. Mikroprogrammierung 4-2

7 Effizienterer Algorithmus zur Multiplikation (4) In symbolischer Schreibweise als Mikroprogramm: Mikroanweisung Erläuterung 0 0+0ÆMDR; MPC+TESTNEGÆMPC Setze MDR auf 0; prüfe, ob das führende Bit von A gleich ist C+MDRÆMDR; MPC+ÆMPC Ja: Addiere C zu MDR 2 0+MDR MDR; MPC+ÆMPC Verschiebe MDR 3 A+0 A; MPC+ÆMPC Verschiebe A 4 A+ÆA; MPC+ÆMPC Setze Endemarke bei A 5 MPC+TESTNEGÆMPC Prüfe, ob das führende Bit von A gleich ist 6 0ÆMPC Ja: Vorwärtssprung 7 0+MDR MDR; MPC+ÆMPC Nein: Verschiebe MDR 8 A+0 A; MPC+ÆMPC Verschiebe A 9 5ÆMPC Springe zum Schleifenbeginn 0 A+0 A; MPC+TESTZEROÆMPC Verschiebe A; prüfe, ob A gleich Null ist 4ÆMPC Ja: Ende erreicht 2 C+MDR MDR; MPC+ÆMPC Nein: Addiere C zu MDR 3 5ÆMPC Springe zum Schleifenbeginn Effizienterer Algorithmus zur Multiplikation (5) Als binäres Mikroprogramm (Speicherauszug) bedeutet Linksverschiebung um Bit und Transfer. 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-4

8 Komplexität des neuen Mikroprogramms Laden von Mikroprogrammen Falls führendes Bit immer = (ungünstigster Fall), dann fünf Mikroinstruktionen im Schleifenrumpf (5, 6, 0, 2, 3) Bei 6-Bit-Operanden maximal 6 Schleifendurchläufe (führendes Bit wurde vorab separat behandelt). Insgesamt maximal 85 Mikroinstruktionen! In den meisten Fällen implementiert das Mikroprogramm eines Rechners einen Interpretierer für die Maschinenbefehle. Es wird vom Hersteller des Prozessors bereitgestellt und ist dann oft als ROM ausgebildet. Manchmal wird aber auch die Möglichkeit vorgesehen, den Mikroprogrammspeicher im Feld neu zu laden. Dadurch können beispielsweise nachträgliche Erweiterungen des Befehlssatzes implementiert werden, oder es kann der Befehlssatz eines anderen Rechners ausführbar gemacht werden (Emulation). Mikroprogramme werden auch als Firmware bezeichnet (zwischen Hard- und Software einzuordnen). 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-6

9 4.3 Interpretation von Maschinenbefehlen Eine einfache Maschinensprache für eine Akkumulatormaschine: Programmbeispiel Berechne y = 2 x Hauptspeicher Anweisung der Erläuterung Adresse Maschinensprache 946 LOAD STORE 957 Setze y auf 948 LOAD JUMPZERO 959 Falls x=0, ist das Ende erreicht 950 SUBTRACT STORE 956 Subtrahiere von x 952 LOAD ADD STORE 957 Verdopple y 955 JUMP Diese Stelle enthält zu Beginn x 957 Diese Stelle enthält am Ende die Lösung y 958 Diese Stelle enthält den Wert 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-8

10 Der Unterprogrammsprung als Maschinenbefehl Der Unterprogrammsprung (JUMPSUB) Rücksprung aus dem Unterprogramm (RETURN) Rücksprung über die indirekte Adresse in 945 Vorher Nachher Vorher Nachher 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-20

11 Mehrfacher Aufruf eines Unterprogramms Algorithmus für den mikroprogrammierten Interpreter Modul Interpreter { Holt immer wieder Maschineninstruktionen aus dem Hauptspeicher und führt sie aus. } Übertrage 0 nach B Wiederhole Hole nächste Maschineninstruktion Addiere zu B Entschlüssele die Anweisung Führe die Anweisung aus ständig 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-22

12 Der mikroprogrammierte Interpreter () Mikroanweisungen Erläuterung 0 B+0ÆMAR; lesen; MPC+ÆMPC Hole nächste Anweisung in MDR B+ÆB; MPC+MDR top bitsæmpc Addiere zum Befehlszähler und entschlüssele die Anweisung 2 3ÆMPC Laden (Load) 3 5ÆMPC Speichern (Store) 4 7ÆMPC Addieren (Add) 5 9ÆMPC Subtrahieren (Subtract) 6 2ÆMPC Multiplizieren (Multiply) 7 38ÆMPC Dividieren (Divide) 8 55ÆMPC Sprung (Jump) 9 56ÆMPC Sprung-bei-Null (Jumpzero) 0 59ÆMPC Sprung-bei-führendem -Bit (Jumpmsb) 62ÆMPC Unterprogrammsprung (Jumpsub) 2 65ÆMPC Rücksprung (RETURN) 3 0+MDRÆMAR; lesen; MPC+ÆMPC Führe LOAD aus 4 0+MDRÆA; 0+0ÆMPC HspÆAkku 5 0+MDRÆMAR; MPC+ÆMPC Führe STORE aus 6 A+0ÆMDR; schreiben; 0+0ÆMPC AkkuÆHsp 7 0+MDRÆMAR; lesen; MPC+ÆMPC Führe ADD aus 8 A+MDRÆA; 0+0ÆMPC Akku + HspÆAkku 9 0+MDRÆMAR; lesen; MPC+ÆMPC Führe SUBTRACT aus 20 A-MDRÆA; 0+0ÆMPC Akku - HspÆAkku 2... (siehe Folien weiter oben) Führe MULTIPLY aus Der mikroprogrammierte Interpreter (2) Führe DIVIDE aus MDRÆB; 0+0ÆMPC Führe JUMP aus 56 MPC+TESTZEROÆMPC Führe JUMPZERO aus 57 0+MDRÆB; 0+0ÆMPC A = NULL: verzweige ÆMPC A Null: weiter 59 MPC+TESTNEGÆMPC Führe JUMPMSB aus 60 0+MDRÆB; 0+0ÆMPC Führendes Bit von A ist 6 0+0ÆMPC Bit ist NUll: weiter 62 0+MDRÆMARÆC; MPC+ÆMPC Führe JUMPSUB aus 63 B+0ÆMDR; schreiben; MPC+ÆMPC Retten der Rücksprungadresse auf dem Modulanfang 64 C+ÆB; 0+0ÆMPC Sprung zum Modul 65 0+MDRÆMAR; lesen; MPC+ÆMPC Führe RETURN aus 66 0+MDRÆB; 0+0ÆMPC Springe auf Rücksprungadresse 4. Mikroprogrammierung Mikroprogrammierung 4-24

13 Zusammenfassung Jede einzelne Mikroinstruktion ist direkt in Hardware realisiert. Die einzelnen Bits entsprechen Steuerleitungen des Prozessors. Zur Interpretation von Maschinenbefehlen (Assembler-Befehlen) werden in der Regel mehrere Mikro- Instruktionen benötigt. Im normalen Betrieb des Prozessors bleibt der Mikroprogrammspeicher unverändert. Er enthält einen Interpretierer für die Maschinenbefehle des Rechners. Bei manchen Prozessoren kann der Mikroprogrammspeicher im Feld neu geladen werden. 4. Mikroprogrammierung 4-25