ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ MHXANIKO MHXANIK I O I Η/ Η Υ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Γ. Τσιατούχας ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ

Transcript

1 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ MHXNIKOI Η/Υ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Γ. Τσιατούχας ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ

2 Εκτέλεση Προγραµµάτων 1. Ο υπολογιστής εκτελεί λίπρογράµµατα που συνθέτονται από εντολές σε γλώσσα µηχανής. 2. Ένα πρόγραµµα προς εκτέλεση είναι αποθηκευµένο στην κύρια µνήµη σεσυνεχόµενες θέσεις. 3. Η έχει έναν καταχωρητή ειδικού σκοπού που µας λέει σε ποια θέση µνήµης βρίσκεται η επόµενη εντολή. Ονοµάζεται µετρητής προγράµµατος (program g counter ). ) 4. Υπάρχει επίσης και ένας δεύτερος καταχωρητής ειδικού σκοπού στον οποίο κρατείται η τρέχουσα ρχ εντολή που εκτελείται. Ονοµάζεταιµ καταχωρητής εντολής (instruction register ). 5. Άλλοι πιθανοί καταχωρητές ειδικού σκοπού: α) ) καταχωρητής δεδοµένων (data register DR), β) καταχωρητής διευθύνσεων (address register R), γ) συσσωρευτής (accumulator ). 2

3 Εκτέλεση Εντολών Ο υπολογιστής ακολουθεί την επόµενη ατέρµονη διαδικασία: 1. Προσκόµιση (fetch) της εντολής από τη µνήµη (τη διεύθυνση µνήµης την οποία υποδεικνύει ο µετρητής προγράµµατος ) στον καταχωρητή εντολών. 2. Μεταβολή του ώστε να δείχνει στην επόµενη θέση εντολής στη µνήµη. 3. Αποκωδικοποίηση (decode) της εντολής ώστε να ενεργοποιηθούν τα κατάλληλα σήµατα ελέγχου. 4. Προσκόµιση δεδοµένων (τελούµενων operands) που ενδεχόµενα χρειάζεται η εντολή από την κύρια µνήµη ή τους καταχωρητές. 5. Εκτέλεση (execute) της εντολής. 6. Αποθήκευση (store) αποτελέσµατος. 7. Επιστροφή στο 1 ο βήµα για την εκτέλεση της επόµενης εντολής. 3

4 Αντικείµενο της Άσκησης Υλοποιείστε, χρησιμοποιώντας τη γλώσσα Java ή, εικονική μηχανή για τη μηχανή von Neumann που περιγράφεται στις διαφάνειες που ακολουθούν. 1. Η εικονική μηχανή θα πρέπει να συνοδεύεται από κατάλληλο περιβάλλον διεπαφής με το χρήστη για την εισαγωγή των προγραμμάτων και των τελούμενων στην κύρια μνήμη μήμηκαθώς και της αρχικής τιμής του μετρητή προγράμματος. Τα προγράμματα μπορούν να εισάγονται είτε στη συμβολική γλώσσα είτε στη γλώσσα μηχανής του συστήματος (ελεύθερη επιλογή). 2. Επίσης θα πρέπει να σχεδιαστεί κατάλληλο περιβάλλον για την παρουσίαση σε κάθε κύκλο ρολογιού κατά την εκτέλεση ενός προγράμματος α) των περιεχομένων όλων των καταχωρητών,, β) των περιεχομένων της χρησιμοποιούμενης μ ης μνήμης μήμης (όπου αποθηκεύονται τα τελούμενα ενός προγράμματος) γ) των τιμών στους τρείς διαύλους της μηχανής και δ) των τιμών των σημάτων ελέγχου της μονάδας ελέγχου. 3. Η εικονική μηχανή θα χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση προγραμμάτων γραμμένων σε συμβολική γλώσσα ή γλώσσα μηχανής, τα οποία θα προσδιοριστούν σε μεταγενέστερη φάση. 4

5 Τυπική Μηχανή von Neumann Έλεγχος -EN 16 Σήµατα Ελ λέγχου F0 F1 F2 Υπολογισµός LU Συσσωρευτής -EN DR-EN -OE MX-SL R-EN 0 1 R-OE DR-OE Εσωτερικός () DR-DI DR-EN R DR ιευθύνσεων ME-S ME-OE ME-RW (ddress us) () (Data us) () εδοµένων Κωδικός ιεύθυνση Μή ς (Opcode) Εντολή ή 8192 (2 13 ) εδοµένα 5

6 Start Ακολουθία ουθα Μικρολειτουργιών ουργ ctive? R RED M +1 DR(OP) Fetch ycle Stop = ccumulator R = Memory address register DR = Memory data register DR(OP) = Opcode field of DR DR(DR) = ddress field of DR = Instruction register = Program ounter M = Main memory SHIFT RSHIFT 111 Execute ycle OMP? 110 LOD? STORE? DD? ND? JUMP? JUMPZ? R DR(DR) R DR(DR) R DR(DR) R DR(DR) = 0? RED M DR RED M RED M DR WRITE M + DR ^ DR DR(DR) DR(DR) 6

7 Απλό Πρόγραµµα προς Εκτέλεση Συµβολική Γλώσσα Γλώσσα Μηχανής Λειτουργία LOD ΗΕΧ Φόρτωση του πρώτου 16 bits τελούµενου από τη θέση µνήµης Α στον. DD ΗΕΧ Κωδικός Εντολής (Opcode) ιεύθυνση ς (Memory ddress) Φόρτωση του δεύτερου τελούµενου από τη θέση µνήµης Β στον DR. Πρόσθεσή του µε το τελούµενο στον και εγγραφή του αποτελέσµατος στον. STORE ΗΕΧ Μεταφορά και αποθήκευση του αποτελέσµατος από τον στη θέση µνήµης. 7

8 Προσκόµιση ση και Εκτέλεση LOD Start ctive? R Stop SHIFT RSHIFT RED M +1 DR(OP) Fetch ycle RED M DR M 111 Execute ycle OMP? 110 LOD? STORE? DD? ND? JUMP? JUMPZ? R DR(DR) R DR(DR) R DR(DR) R DR(DR) = 0? RED M DR RED M RED M DR WRITE M + DR ^ DR DR(DR) DR(DR) 8

9 Προσκόµιση-Αποκωδικοποίηση ση οωδ ο οησηlod Έλεγχος µατα Ελέγ γχου Εκτέλεση LU Σή R DR LOD DD STORE 8192 DT DT 9

10 Εκτέλεση LOD 1/2 Έλεγχος Εκτέλεση µατα LU Σή R DR LOD DD STORE 8192 DT DT

11 Εκτέλεση LOD 2/2 Έλεγχος Εκτέλεση µατα LU 0 Σή R DR LOD DD STORE 8192 DT DT

12 Προσκόµιση ση και Εκτέλεση DD Start ctive? R Stop SHIFT RSHIFT RED M +1 DR(OP) Fetch ycle 111 Execute ycle OMP? 110 LOD? STORE? DD? ND? JUMP? JUMPZ? R DR(DR) R DR(DR) R DR(DR) R DR(DR) = 0? RED M DR RED M RED M DR WRITE M + DR ^ DR DR(DR) DR(DR) 12

13 Προσκόµιση-Αποκωδικοποίηση ση οωδ ο οηση DD Έλεγχος µατα Ελέγ γχου Εκτέλεση LU Σή 0 R DR LOD DD STORE 8192 DT DT 13

14 Εκτέλεση DD 1/3 Έλεγχος Εκτέλεση µατα LU 0 Σή R DR LOD DD STORE 8192 DT DT

15 Εκτέλεση DD 2/3 Έλεγχος Εκτέλεση µατα LU 0 Σή R DR LOD DD STORE 8192 DT DT

16 Εκτέλεση DD 3/3 Έλεγχος Εκτέλεση µατα LU 1 Σή R DR LOD DD STORE 8192 DT DT

17 Προσκόµιση ση και Εκτέλεση STORE Start ctive? R Stop SHIFT RSHIFT RED M +1 DR(OP) Fetch ycle WRITE M M DR 111 Execute ycle OMP? 110 LOD? STORE? DD? ND? JUMP? JUMPZ? R DR(DR) R DR(DR) R DR(DR) R DR(DR) = 0? RED M DR RED M RED M DR WRITE M + DR ^ DR DR(DR) DR(DR) 17

18 Προσκόµιση-Αποκωδικοποίηση ση οωδ ο οηση STORE Έλεγχος µατα Ελέγ γχου Εκτέλεση LU Σή 1 R DR LOD DD STORE 8192 DT DT 18

19 Εκτέλεση STORE 1/2 Έλεγχος Εκτέλεση µατα LU 1 Σή R DR LOD DD STORE 8192 DT DT

20 Εκτέλεση STORE 2/2 Έλεγχος Εκτέλεση µατα LU 1 Σή R DR LOD DD STORE 8192 DT DT RESULT