MAQUINA RUDIMENTARIA MAQUINA RUDIMENTARIA UN COMPUTADOR PEDAGÓGICO

Transcripción

1 MAQINA RDIMENTARIA N OMTADOR EDAGÓGIO Enrique astor Llorens Dept de Arquitectura de omputadores Visión General de la resentación Introducción al omputador edagógico MAQINA RDIMENTARIA Desarrollado por un equipo de profesores del Departamento de Arquitectura de omputadores entre los años Se pretende diseñar de un computador simple para una asignatura de primer ciclo que incluya: onceptos básicos sobre arquitectura Lenguaje máquina Lenguaje ensamblador y proceso de ensamblado ompuesto de circuitos digitales simples Análisis detallado de su funcionamiento La Máquina Rudimentaria 2 1

2 Indice Arquitectura de la Máquina Rudimentaria Lenguaje Máquina nidad de roceso nidad de ontrol Lenguaje Ensamblador Entorno de Simulación Documentación La Máquina Rudimentaria 3 Indice Arquitectura de la Máquina Rudimentaria La Máquina Rudimentaria 4 2

3 Arquitectura de la MR omputador de tipo von Neuman nidad de roceso alabra de 16 bits: números en complemento a 2 AL: suma, resta, desplazamientos y AND lógica Flags de condición: negativo (N) y cero (Z) Banco de registros con 8 elementos nidad de ontrol Máquina de estados finitos Memória apacidad: 256 palabras de 16 bits La Máquina Rudimentaria 5 Arquitectura de la MR Entrada / Salida no disponible Buses de Interconexión Direcciones: 8 bits Datos: 16 bits na señal de control Implementación Registros Multiplexores, decodificadores Sumadores, restadores, incrementadores Lógica combinacional y secuencial La Máquina Rudimentaria 6 3

4 Indice Arquitectura de la Máquina Rudimentaria Lenguaje Máquina La Máquina Rudimentaria 7 Lenguaje Máquina Lenguaje Máquina de tipo RIS Instrucciones de longitud fija Máxima ortogonalidad Tipos de instrucciones Aritmético-lógicas Acceso a memória Saltos Modos de direccionamiento restringidos Registro e inmediato en aritméticas Base más desplazamiento para load y store Absoluto en los saltos La Máquina Rudimentaria 8 4

5 Aritmético Lógicas Seis instrucciones que permiten realizar: Suma, resta, Desplazamiento aritmético y AND-lógica Operandos en el Banco de Registros Números de 16 bits en complemento a 2 Rango [-32768, ] Inmediato: 5 bits en complemento a 2 Rango [-16, 15] Flags de condición negativo (N) y cero (Z) Actualizados después de cada operación La Máquina Rudimentaria 9 Modo Registro - Registro: Aritmético Lógicas SMA Rd := Rf1 + Rf2 RESTA Rd := Rf1 - Rf2 DESLAZAMIENTO Rd := Rf1 >> 1 AND LOGIA Rd := Rf1 AND Rf2 Modo Registro - Inmediato: SMA RESTA Rd := Rf1 + inmediato Rd := Rf1 - inmediato La Máquina Rudimentaria 10 5

6 Aritmético Lógicas O Rd Rf1 Rf2 00 O Rd Rf1 Rf Rd Rf1 Rf Rd Rf1 Rf Rd Rf1 Rf Instrucciones aritmeticas Modo registro - registro SMA RESTA DESLAZAMIENTO AN D La Máquina Rudimentaria 11 Aritmético Lógicas O Rd Rf1 Inmediato O Rd Rf1 Inmediato Rd Rf1 Inmediato Instrucciones aritmeticas Modo registro - inmediato SMA RESTA La Máquina Rudimentaria 12 6

7 Acceso a memória Dos instrucciones de acceso a memória: LOAD: lectura de memória STORE: escritura en memória La dirección de memória se calcula como: na dirección base: número natural de 8 bits n desplazamiento: almacenado en un registro índice El dato es leido o escrito en un registro del banco de registros Instrucción LOAD modifica los flags de condición La Máquina Rudimentaria 13 Acceso a Memória Modo Base más Desplazamiento: LOAD Rd := M[ dir_base + Ri ] STORE M[ dir_base + Ri ] := Rf O Rd/Rf Ri Dir_base Rd Ri Dir_base Rf Ri Dir_base Instrucciones acceso a memoria LOAD STO RE La Máquina Rudimentaria 14 7

8 Instrucciones de Salto Siete instrucciones de salto La condición es evaluada previamente por otra instrucción (p.e. aritmética) La instrucción de salto analiza los flags de condición N y Z. menor, mayor, igual, distinto menor o igual, mayor o igual incondicional La dirección de la instrucción destino se especifica de forma absoluta (8 bits) La Máquina Rudimentaria 15 Instrucciones de Salto O OND 000 Dir_destino Instrucciones de salto Dir_destino Incondicional Dir_destino Igual Dir_destino Menor Dir_destino Menor o igual Dir_destino Distinto Dir_destino Mayor o igual Dir_destino Mayor Dir_destino Halt La Máquina Rudimentaria 16 8

9 Indice Arquitectura de la Máquina Rudimentaria Lenguaje Máquina nidad de roceso La Máquina Rudimentaria 17 Elementos de la : Instrucción en ejecución Secuenciamiento implícito Banco de registros nidad Aritmético-lógica ondición de salto álculo de direcciones nidad de roceso La Máquina Rudimentaria 18 9

10 Instrucción en Ejecución Ld_IR () IR 8 M@ MEMORIA 16 Mout L/E () L/E La Máquina Rudimentaria 19 Secuenciamiento Implícito Ld_ () M@ MEMORIA La Máquina Rudimentaria 20 10

11 Secuenciamiento Implícito 8 8 Ld_ () +1 8 /@ () 8 M@ MEMORIA IR La Máquina Rudimentaria 21 SL Banco de Registros 3 R R1 16 R2 16 SE 3 R Dout R4 16 R5 16 R6 16 E Din R7 La Máquina Rudimentaria 22 11

12 nidad Aritmético-Lógica Lógica A B Sumador Restador Desplazador AND N O Z La Máquina Rudimentaria nidad Aritmético-Lógica Lógica 5L 18 & 6/ %$1&2 '( 5(*, G 6( 'RXW (5G ( 'LQ 5$ 5= 51 $ % $/8 (5$5 La Máquina Rudimentaria 24 12

13 nidad Aritmético-Lógica Lógica 5L 18 6/ %$1&2 (;7,5 '( & 5(*, G 6( 'RXW &2 (5G ( 'LQ 5$ 5= 51 $ % $/8 (5$5 La Máquina Rudimentaria 25 Evaluación de la ondición ond Evaluación de la condición 3 RZ RN OND (IR ) OND ond Salto BR 001 Z BEQ 010 N BL 011 N+Z BLE 100 HALT 101 no Z BNE 110 no N BGE 111 no N+Z BG La Máquina Rudimentaria 26 13

14 álculo de Direcciones 0LQ 'RXW 5# %$1&2 '( 5(*,67526,5 3& 3&# 0# 0(025,$ 0RXW /( La Máquina Rudimentaria 27 5L 6/ 0LQ 81,'$' '( &21752/ 18 %$1&2 '( & 5(*, G 6( 'RXW (5G ( 'LQ /GB5$ /GB,5 /GB3& /GB5# /GB5= /GB51 3&# & (5G (5$5 &2 5$ (;7,5 &2 5# 3& 3&# 0# 0RXW 0(025,$ $ % &RQG (9$/8$&,21 '( /$ &21',&,21 &21' 5= 51 $/8 (5$5 /( 14

15 Indice Arquitectura de la Máquina Rudimentaria Lenguaje Máquina nidad de roceso nidad de ontrol La Máquina Rudimentaria 29 nidad de ontrol Diseñada mediante el uso de máquinas de estados finitos, siguiendo el modelo de Moore. Dos versiones de complejidad progresiva: no optimizada, cada fase en un estado. optimizada, cada estado implementa diversas fases. osterior síntesis como ejercicio práctico. La Máquina Rudimentaria 30 15

16 nidad de ontrol XXX XXX XXX /32 XXX /62( $5,70(7,&$ ( 11X )(7&+ (O ond) XXX '(& 0XX $'5 00X /2$' / /2$' ) '( $' 01X 6725( 6725( 6 10X XXX XX0 (&6 XX1 $'5 XXX %5$1&+ 6$/72 (& $' % La Máquina Rudimentaria 31 nidad de ontrol XXX XXX XXX $5,7 $5,70(7,&$6 $ 11X (O ond) )(7&+ XXX '(&2 00X /2$' / /2$' ) ' 01X 6725( ( 101 XXX %5$1&+ % 6$/72 La Máquina Rudimentaria 32 16

17 fetch 81,'$' '( &21752/ 5L 18 & 6/ 5G 6( (5G ( /GB5$ /GB,5 /GB3& /GB5# /GB5= /GB51 3&# & (5G (5$5 &2 %$1&2 '( 5(*,67526 'RXW 'LQ (;7 5$ $ %,5 &2 R@ 3& 3&# 0LQ 0# 0RXW 0(025,$ &RQG (9$/8$&,21 '( /$ 5= 51 $/8 (5$5 &21',&,21 &21' /( deco 5L 6/ 0LQ 81,'$' '( &21752/ 18 & 5G 6( (5G ( /GB5$ /GB,5 /GB3& /GB5# /GB5= /GB51 3&# & (5G (5$5 &2 %$1&2 '( 5(*,67526 'RXW 'LQ (;7 5$ $ %,5 &2 R@ 3& 3&# 0# 0RXW 0(025,$ &RQG (9$/8$&,21 '( /$ 5= 51 $/8 (5$5 &21',&,21 &21' /( 17

18 arit 81,'$' '( &21752/ 5L 18 & 6/ 5G 6( (5G ( /GB5$ /GB,5 /GB3& /GB5# /GB5= /GB51 3&# & (5G (5$5 &2 %$1&2 '( 5(*,67526 'RXW 'LQ (;7 5$ $ %,5 &2 R@ 3& 3&# 0LQ 0# 0RXW 0(025,$ &RQG (9$/8$&,21 '( /$ 5= 51 $/8 (5$5 &21',&,21 &21' /( load 5L 6/ 0LQ 18 %$1&2 '( R@ 81,'$' '( &21752/ & 5G 6( (5G ( /GB5$ /GB,5 /GB3& /GB5# /GB5= /GB51 3&# & (5G (5$5 &2 5(*,67526 'RXW 'LQ (;7 5$ $ %,5 &2 3& 3&# 0# 0RXW 0(025,$ &RQG (9$/8$&,21 '( /$ 5= 51 $/8 (5$5 &21',&,21 &21' /( 18

19 store 81,'$' '( &21752/ 5L 18 & 6/ 5G 6( (5G ( /GB5$ /GB,5 /GB3& /GB5# /GB5= /GB51 3&# & (5G (5$5 &2 %$1&2 '( 5(*,67526 'RXW 'LQ (;7 5$ $ %,5 &2 R@ 3& 3&# 0LQ 0# 0RXW 0(025,$ &RQG (9$/8$&,21 '( /$ 5= 51 $/8 (5$5 &21',&,21 &21' /( branch 5L 6/ 0LQ 18 %$1&2 '( R@ 81,'$' '( &21752/ & 5G 6( (5G ( /GB5$ /GB,5 /GB3& /GB5# /GB5= /GB51 3&# & (5G (5$5 &2 5(*,67526 'RXW 'LQ (;7 5$ $ %,5 &2 3& 3&# 0# 0RXW 0(025,$ &RQG (9$/8$&,21 '( /$ 5= 51 $/8 (5$5 &21',&,21 &21' /( 19

20 Indice Arquitectura de la Máquina Rudimentaria Lenguaje Máquina nidad de roceso nidad de ontrol Lenguaje Ensamblador La Máquina Rudimentaria 39 Instrucciones Directivas Reserva de memória Asignación Inicio y fin de programa Etiquetas Macros roceso de ensamblado Ejemplo Lenguaje Ensamblador La Máquina Rudimentaria 40 20

21 Instrucciones Aritméticas: ADDI Rf, #num, Rd SBI Rf, #num, Rd ADD Rf1, Rf2, Rd SB Rf1, Rf2, Rd ASR Rf1, Rd AND Rf1, Rf2, Rd Acceso a memória: LOAD dir_base(ri), Rd STORE dir_base(ri), Rd Salto: BR dir_absoluta BEQ dir_absoluta BL dir_absoluta BLE dir_absoluta BNE dir_absoluta BGE dir_absoluta BG dir_absoluta HALT La Máquina Rudimentaria 41 Directivas Reserva de memória:.dw n 1 {, n 2,, n N }.rw n Asignación: identificador = expresión Inicio y fin de programa:.begin identificador.end La Máquina Rudimentaria 42 21

22 Etiquetas Definición: etiqueta: instrucción o directiva tilización: Instrucciones de acceso a memória Instrucciones de salto Directiva de inicio reación de expresiones La Máquina Rudimentaria 43 reación de pseudo-instrucciones Declaración:.def nombre { argumento {, argumento }} { cuerpo de la macro }.enddef Argumentos: Macros $dn: $in: $n: el operando es una dirección de memória el operando es una constante inmediata el operando es un registro La Máquina Rudimentaria 44 22

23 roceso de Ensamblado Ensamblado en dos fases: re-ensamblado Expansión de macros y creación de la tabla de símbolos > pren programa macros programa.mr + macros.mr => programa.asm ost-ensamblado reación del código máquina ejecutable > posten programa programa.asm => programa.cod La Máquina Rudimentaria 45 Ejemplo: Fichero de Macros.DEF M $1,$2 SB $1,$2,R0.ENDDEF.DEF M $1,$i2 SBI $1,$i2,R0.ENDDEF.DEF LR $1 ADD R0, R0, $1.ENDDEF.DEF MOV $1, $2 ADD $1,R0, $2.ENDDEF.DEF MOV $i1,$2 ADDI R0,$i1,$2.ENDDEF.DEF MOV $d1, $2 LOAD $d1, $2.ENDDEF.DEF MOV $d1,$d2,$3 LOAD $d1,$3 STORE $3,$d2.ENDDEF.DEF IN $1 ADDI $1, #1, $1.ENDDEF.DEF DE $1 SBI $1, #1, $1.ENDDEF La Máquina Rudimentaria 46

24 Ejemplo: rograma Ensamblador.BEGIN ini ;alculo del factorial de un numero ; N:.DW 4 FAT:.RW 1 INI: LOAD N(R0), R1 MOV R1, R3 LR R4 ;producto de los elementos del factorial M1: M R1, #1 BLE FM1 MOV R1, R2 ;producto de numeros mediante sumas M2: M R2, #1 BLE FM2 ADD R4, R3, R4 FM2: FM1: DE R2 BR M2 MOV R4, R3 LR R4 DE R1 BR M1 STORE R3, FAT(R0).END La Máquina Rudimentaria 47.BEGIN ini n:.dw 4 fact:.rw 1 ini: load n(r0),r1 ;mov R1,R3 add R1,R0,R3 ;end mov R1,R3 ;clr R4 add R0,R0,R4 ;end clr R4 m1: ;cmp R1,#1 subi R1,#1,R0 ;end cmp R1,#1 ble fm1 ;mov R1,R2 add R1,R0,R2 ;end mov R1,R2 Ejemplo: : re-ensamblado ensamblado m2: ;cmp R2,#1 subi R2,#1,R0 ;end cmp R2,#1 ble fm2 add R4,R3,R4 ;dec R2 subi R2,#1,R2 ;end dec R2 br m2 fm2: ;mov R4,R3 add R4,R0,R3 ;end mov R4,R3 ;clr R4 add R0,R0,R4 ;end clr R4... La Máquina Rudimentaria 48 24

25 Indice Arquitectura de la Máquina Rudimentaria Lenguaje Máquina nidad de roceso nidad de ontrol Lenguaje Ensamblador Entorno de Simulación La Máquina Rudimentaria 49 Entorno de simulación Simulador de la Máquina Rudimentaria: Simulador gráfico en entorno Windows Lenguaje ensamblador legado y desplegado de las macros nidad de proceso / nidad de control Ejecución: iclo a ciclo Instrucción a instrucción Inserción de break-points Generación de trazas mediante cronogramas La Máquina Rudimentaria 50 25

26 26

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31 Documentación La Máquina Rudimentaria. ET, Diciembre 1995 Apuntes de la Máquina Rudimentaria. ET, Octubre 1996, Febrero 1997, Noviembre 1997 (2 a Ed.). roblemas de la Máquina Rudimentaria. ET, Febrero 1997, Noviembre 1997 (2 a Ed.). La Máquina Rudimentaria, un rocesador edagógico. III Jornadas de Enseñanza niversitaria de Informática, Junio Fundamentos de omputadores. R. Hermida, A del orral, E. astor y F. Sánchez, Ed. Síntesis, Enero La Máquina Rudimentaria 62 31