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Universelle Registermaschine Klaus Becker 2003. KB Schaltsysteme 2 Programmierbare Systeme.

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Präsentation zum Thema: "Universelle Registermaschine Klaus Becker 2003. KB Schaltsysteme 2 Programmierbare Systeme."—  Präsentation transkript:

1 Universelle Registermaschine Klaus Becker 2003

2 KB Schaltsysteme 2 Programmierbare Systeme

3 KB Schaltsysteme 3 Teil 1 Universelle Registermaschine als Rechnermodell

4 KB Schaltsysteme 4 Registermaschine 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 > 4 JMP 1 5 HLT 0:5 1:3 2:0 3:0 4:0.. Speicher (Registern) RegisterAdresseBefehlProgr.zähler Verarbeitungseinheit

5 KB Schaltsysteme 5 Registermaschinenbefehle > x INC i Erhöhe Register i um 1. Gehe zu Zeile x+1. > x DEC i Erniedrige Register i um 1. Gehe zu Zeile x+1. > x JMP i Gehe zu Zeile i. > x TST i Wenn Register i ungleich 0 ist, dann gehe zu Zeile x+1, sonst zu Zeile x+2. > x HLT Beende die Bearbeitung.

6 KB Schaltsysteme 6 Registermaschine in Aktion > 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0:5 1:3 2:0 3:0 4:0.. 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 > 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0:5 1:3 2:0 3:0 4:0.. 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 > 4 JMP 1 5 HLT 0:5 1:3 2:0 3:0 4:0.. 0 JMP 3 > 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0:5 1:3 2:0 3:0 4:0.. 0 JMP 3 1 INC 0 > 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0:6 1:3 2:0 3:0 4:0.. 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 > 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0:6 1:2 2:0 3:0 4:0..

7 KB Schaltsysteme 7 Einfache Registermaschine > 0 JMP 3 1 INC 0 2 DEC 1 3 TST 1 4 JMP 1 5 HLT 0:5 1:3 2:0 3:0 4:0.. Registermaschine als programmgesteuertes System ProgrammDaten Eine Registermaschine bearbeitet beliebig eingebbare Daten nach einem fest vorgegebenen Programm.

8 KB Schaltsysteme 8 Universelle Registermaschine Universelle Registermaschine als programmierbares System Daten Eine universelle Registermaschine bearbeitet beliebig eingebbare Daten nach einem beliebig vorgegebenen Programm. 0: JMP 3 1: INC 0 2: DEC 1 3: TST 1 4: JMP 1 5: HLT 0: : Programm Speicher (Registern) Verarbeitungseinheit

9 KB Schaltsysteme 9 Vereinheitlichung von Programm und Daten CPU 0: JMP 3 1: INC 0 2: DEC 1 3: TST 1 4: JMP 1 5: HLT 0: : Daten Programm Daten Programm 0: : : : : : : : : Kodierung INC: 1 DEC: 2 JMP: 3 TST: 4 HLT: 5 CPU

10 KB Schaltsysteme 10 Rechnerarchitektur (nach von Neumann) Rechenwerk Datenbus Adressbus Akku PCIR 0: : : : : : : : : ArbeitsspeicherSteuerwerk

11 KB Schaltsysteme 11 Befehl holen Rechenwerk Datenbus Adressbus Akku PCIR 0: : : : : : : : : ArbeitsspeicherSteuerwerk

12 KB Schaltsysteme 12 Befehl dekodieren und ausführen Rechenwerk Datenbus Adressbus Akku PCIR 0: : : : : : : : : ArbeitsspeicherSteuerwerk

13 KB Schaltsysteme 13 Fundamentalzyklus Wiederhole Befehl holen (fetch-Phase) Befehl dekodieren und ausführen (execute-Phase)

14 KB Schaltsysteme 14 Steueralgorithmus WIEDERHOLE PC ABus; PC ABus; RInhalt DBus; DBus IR; op := Operatorteil(IR); adr := Adressteil(IR) FALLS op 1: adr ABus; adr ABus; RInhalt DBus; DBus Akku; adr ABus; upAkku; adr ABus; Akku DBus; DBus RInhalt; IncPC; 2: // analog 3: adr ABus; ABus PC; 4: adr ABus; adr ABus; Registerinhalt DBus; WENN DBus = 0 DANN IncPC; IncPC; BIS op = 5 // HLT Befehl holen JMP-Befehl ausführen TST-Befehl ausführen INC-Befehl ausführen Befehl dekodieren Wiederhole Befehl holen Befehl dekodieren und ausführen

15 KB Schaltsysteme 15 Steuerung durch ein Mikroprogramm WIEDERHOLE PC ABus; PC ABus; RInhalt DBus; Dbus IR; op := Operatorteil(IR); adr := Adressteil(IR) FALLS op 1: adr ABus; adr ABus; RInhalt DBus; DBus Akku; adr ABus; upAkku; adr ABus; Akku DBus; DBus RInhalt; IncPC; 2: // analog 3: adr ABus; ABus PC; 4: adr ABus; adr ABus; Registerinhalt DBus; WENN DBus = 0 DANN IncPC; IncPC; BIS op = 5 // HLT Befehl holen , 3, 11 20, 2 INC ausführen , 3, , , 4, 8, , 1 DEC ausführen , 3, , , 4, 8, , 1 JMP ausführen 3012, 9 310, 1 TST ausführen , , 3, , 1

16 KB Schaltsysteme 16

17 KB Schaltsysteme 17 Teil 2 Entwicklung einer universellen Registermaschine

18 KB Schaltsysteme 18 Zielsetzung Mit Hilfe vorgegebener Hardwarebausteinen soll ein einfacher, voll funktionsfähiger (Bonsai) Rechner entwickelt werden.

19 KB Schaltsysteme 19 Schritt 1: Akku-Register Wir beginnen mit dem Akku-Register. Der hier benutzte Akku soll 8-Bit-Dateneinheiten aufnehmen können. Akku

20 KB Schaltsysteme 20 Register-Baustein CLK: Takt-Eingang (Register reagiert b. steigender Taktflanke) NR: Reset-Eingang (NR = 0: Reset) ENA: Enable-Eingang (ENA = 1: Register bereit zum Lesen) D: Daten-Eingang Q: Daten-Ausgang hades.models.rtlib.register.RegRE

21 KB Schaltsysteme 21 Registertest hades.models.rtlib.io.OpinVector hades.models.rtlib.io.IpinVector

22 KB Schaltsysteme 22 Schritt 2: Rechenwerk Mit Hilfe des Rechenwerkes sollen Inkrementier- und Dekrementieroperationen ausgeführt werden Rechenwerk Akku

23 KB Schaltsysteme 23 Rechenwerk hades.models.rtlib.arith.Decrhades.models.rtlib.arith.Incr hades.models.rtlib.muxes.Mux21

24 KB Schaltsysteme 24 Schritt 3: Arbeitsspeicher Die im Akku-Register zu verarbeitenden Daten sollen aus einem Arbeitsspeicher geholt und wieder gespeichert werden. 0: : : : : : : : : Arbeitsspeicher Rechenwerk Akku

25 KB Schaltsysteme 25 RAM-Baustein nCS: nCS = 0: (notChipSelect) RAM-Baustein aktiv nWE: nWE = 0: DIN adressiertes Register nWE = 1: adressiertes Register DOUT A: Adress-Eingang DIN: Daten-Eingang DOUT: Daten-Ausgang hades.models.rtlib.memory.RAM

26 KB Schaltsysteme 26 RAM-Test RAM AkkuAkku RAM

27 KB Schaltsysteme 27 Schritt 4: Datenbus Der Datenaustausch zwischen dem Arbeitsspeicher und dem Akku-Register soll über einen Datenbus erfolgen. Rechenwerk Datenbus Akku 0: : : : : : : : : Arbeitsspeicher

28 KB Schaltsysteme 28 Datenbus Datenbus RAM AkkuAkku RAM

29 KB Schaltsysteme 29 Torsteuerung Datenbus hades.models.rtlib.muxes.TriBuf

30 KB Schaltsysteme 30 tri-state-Verhalten S0011S0011 E0101E0101 A0001A0001 S0011S0011 E0101E0101 AZZ01AZZ01 hochohmig S = 0: passiv S = 1: aktiv (durchlassen)

31 KB Schaltsysteme 31 Schritt 5: Befehlsregister und Adressbus Rechenwerk Datenbus Adressbus Akku IR 0: : : : : : : : : Arbeitsspeicher

32 KB Schaltsysteme 32 Befehlsregister Datenbus Adressbus Befehlsregister Speicher Reset Bussplitter

33 KB Schaltsysteme 33 Befehlsregister hades.models.rtlib.register.RegRE

34 KB Schaltsysteme 34 Bussplitter hades.models.rtlib.io.BusTapBottom

35 KB Schaltsysteme 35 Bussystem 8-Bit-Datenbus 4-Bit-Adressbus Befehlsregister Speicher mit 16 8-Bit-Registern

36 KB Schaltsysteme 36 Schritt 6: Programmzähler Rechenwerk Datenbus Adressbus Akku IR 0: : : : : : : : : Arbeitsspeicher PC 0

37 KB Schaltsysteme 37 Programmzähler Adressbus Datenbus Befehlsregister Programmzähler

38 KB Schaltsysteme 38 Schritt 7: Programmbeendung Rechenwerk Datenbus Adressbus Akku IR 0: : : : : : : : : Arbeitsspeicher PC 0

39 KB Schaltsysteme 39 Nullentdeckung Datenbus hades.models.rtlib.compare.CompareEqual

40 KB Schaltsysteme 40 Schritt 8: Steuerwerk Rechenwerk Datenbus Adressbus Akku IR 0: : : : : : : : : ArbeitsspeicherSteuerwerk PC 0

41 KB Schaltsysteme 41 Steuerwerk Steuerwerk Steuersignal

42 KB Schaltsysteme 42 Mikroprogramm Mikroprogramm Befehl holen , 3, 11 20, 2 INC ausführen , 3, , , 4, 8, , 1...

43 KB Schaltsysteme 43 Ausführung des Mikroprogramms Mikroprogrammzähler Befehl holen , 3, 11 20, 2 INC ausführen , 3, , , 4, 8, , 1...

44 KB Schaltsysteme 44 Funktionseinheiten ProgrammzählerBefehlsregister Rechenwerk Arbeitsspeicher Akkumulator Steuerwerk Datenbus Adressbus

45 KB Schaltsysteme 45 Funktionseinheiten Rechenwerk ArbeitsspeicherSteuerwerk Datenbus Adressbus Akku PCIR

46 KB Schaltsysteme 46 Literaturhinweise Klaus Merkert, Walter Zimmer: Handbuch zum Bonsai- Lehrcomputer Siehe auch hsg.kaiserslautern.de/faecher/inf/material/bonsai


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