MAQUINA RUDIMENTARIA UN COMPUTADOR PEDAGÓGICO

MAQUINA RUDIMENTARIA
UN COMPUTADOR
PEDAGÓGICO
Enrique Pastor Llorens
Dept de Arquitectura de Computadores
UPC
Visión General de la Presentación
Introducción al Computador Pedagógico
‘MAQUINA RUDIMENTARIA’
• Desarrollado por un equipo de profesores del Departamento de
Arquitectura de Computadores entre los años 1995--98.
• Se pretende diseñar de un computador simple para una
asignatura de primer ciclo que incluya:
•
•
•
•
•
U P C
Conceptos básicos sobre arquitectura
Lenguaje máquina
Lenguaje ensamblador y proceso de ensamblado
Compuesto de circuitos digitales simples
Análisis detallado de su funcionamiento
La Máquina Rudimentaria
2
1
Indice
•
•
•
•
•
•
•
U P C
Arquitectura de la Máquina Rudimentaria
Lenguaje Máquina
Unidad de Proceso
Unidad de Control
Lenguaje Ensamblador
Entorno de Simulación
Documentación
La Máquina Rudimentaria
3
Indice
• Arquitectura de la Máquina Rudimentaria
U P C
La Máquina Rudimentaria
4
2
Arquitectura de la MR
Computador de tipo von Neuman
• Unidad de Proceso
•
•
•
•
Palabra de 16 bits: números en complemento a 2
ALU: suma, resta, desplazamientos y AND lógica
Flags de condición: negativo (N) y cero (Z)
Banco de registros con 8 elementos
• Unidad de Control
• Máquina de estados finitos
• Memória
• Capacidad: 256 palabras de 16 bits
U P C
5
La Máquina Rudimentaria
Arquitectura de la MR
• Entrada / Salida no disponible
• Buses de Interconexión
• Direcciones: 8 bits
• Datos: 16 bits
• Una señal de control
• Implementación
•
•
•
•
U P C
Registros
Multiplexores, decodificadores
Sumadores, restadores, incrementadores
Lógica combinacional y secuencial
La Máquina Rudimentaria
6
3
Indice
• Arquitectura de la Máquina Rudimentaria
• Lenguaje Máquina
U P C
7
La Máquina Rudimentaria
Lenguaje Máquina
•
•
•
•
Lenguaje Máquina de tipo RISC
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
U P C
La Máquina Rudimentaria
8
4
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, +32767]
• Inmediato: 5 bits en complemento a 2
• Rango [-16, 15]
• Flags de condición negativo (N) y cero (Z)
• Actualizados después de cada operación
U P C
9
La Máquina Rudimentaria
Aritmético Lógicas
Modo Registro - Registro:
SUMA
RESTA
DESPLAZAMIENTO
AND LOGICA
Rd := Rf1 + Rf2
Rd := Rf1 - Rf2
Rd := Rf1 >> 1
Rd := Rf1 AND Rf2
Modo Registro - Inmediato:
SUMA
RESTA
U P C
La Máquina Rudimentaria
Rd := Rf1 + inmediato
Rd := Rf1 - inmediato
10
5
Aritmético Lógicas
CO
15
Rd
13
11
15
Rd
U P C
Rf1
101
00
RESTA
0
110
2
00
4
SUMA
0
2
4
Rf2
7
100
00
Rf2
0
2
4
7
10
00
Rf2
Instrucciones aritmeticas
Modo registro - registro
OP
2
4
7
Rf1
Rd
13
Rf2
Rf1
10
00
4
7
10
Rd
11
15
Rf1
Rd
13
Rf2
7
10
13
11
15
10
13
11
15
Rf1
DESPLAZAMIENTO
0
111
2
AND
0
11
La Máquina Rudimentaria
Aritmético Lógicas
CO
15
Rd
13
11
15
U P C
10
Rd
13
11
15
Rf1
7
Rf1
10
Rd
13
Inmediato
2
Inmediato
7
Rf1
10
La Máquina Rudimentaria
0
000
2
Inmediato
7
Instrucciones aritmeticas
Modo registro - inmediato
OP
SUMA
0
001
2
RESTA
0
12
6
Acceso a memória
• Dos instrucciones de acceso a memória:
• LOAD: lectura de memória
• STORE: escritura en memória
• La dirección de memória se calcula como:
• Una dirección base: número natural de 8 bits
• Un 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
U P C
13
La Máquina Rudimentaria
Acceso a Memória
Modo Base más Desplazamiento:
LOAD
Rd := M[ dir_base + Ri ]
STORE
M[ dir_base + Ri ] := Rf
CO Rd/Rf
15
13
00
15
U P C
10
Rd
13
01
15
Ri
Ri
Rf
13
7
10
La Máquina Rudimentaria
0
Dir_base
7
Ri
10
Instrucciones acceso a
memoria
Dir_base
LOAD
0
Dir_base
7
STORE
0
14
7
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)
U P C
15
La Máquina Rudimentaria
Instrucciones de Salto
CO COND
15
U P C
13
000
10
Dir_destino
7
Instrucciones de salto
0
10
000
000
Dir_destino
Incondicional
10
001
000
Dir_destino
Igual
10
010
000
Dir_destino
Menor
10
011
000
Dir_destino
Menor o igual
10
100
000
Dir_destino
Distinto
10
101
000
Dir_destino
Mayor o igual
10
110
000
Dir_destino
Mayor
10
111
000
Dir_destino
Halt
La Máquina Rudimentaria
16
8
Indice
• Arquitectura de la Máquina Rudimentaria
• Lenguaje Máquina
• Unidad de Proceso
U P C
17
La Máquina Rudimentaria
Unidad de Proceso
Elementos de la UP:
•
•
•
•
•
•
U P C
Instrucción en ejecución
Secuenciamiento implícito
Banco de registros
Unidad Aritmético-lógica
Condición de salto
Cálculo de direcciones
La Máquina Rudimentaria
18
9
Ld_IR (UC)
8
M@
IR
16
Mout
L/E (UC)
U P C
MEMORIA
Instrucción en Ejecución
L/E
19
La Máquina Rudimentaria
Secuenciamiento Implícito
U P C
+1
La Máquina Rudimentaria
8
M@
MEMORIA
8
PC
Ld_PC (UC)
20
10
Secuenciamiento Implícito
8
M@
8
PC
Ld_PC (UC)
+1
8
PC/@ (UC)
MEMORIA
8
IR
U P C
21
La Máquina Rudimentaria
Banco de Registros
3
SL
16
R0
16
SE
3
R1
16
R2
16
R3
16
R4
16
R5
16
R6
16
16
Dout
R7
E
Din
U P C
La Máquina Rudimentaria
22
11
Unidad Aritmético-Lógica
A
Sumador
B
Restador
Desplazador
AND
C0
C1
C2
16
N
U P C
O
Z
23
La Máquina Rudimentaria
Unidad Aritmético-Lógica
5I
5I5L
5I
18
%$1&2
'(
5(*,67526
&5 I
5G
(5G
6/
6(
'RXW
5$
(
'LQ
$
5=
51
%
$/8
23(5$5
23
U P C
La Máquina Rudimentaria
24
12
Unidad Aritmético-Lógica
5I
5I5L
5I
18
(5 G
(;7
%$1&2
'(
5(*,67526
&5 I
5G
6/
6(
,5
'RXW
&2
5$
(
'LQ
23 $
5=
51
%
$/8
23(5$5
23
U P C
25
La Máquina Rudimentaria
Evaluación de la Condición
Cond
U P C
Evaluación
de la
condición
La Máquina Rudimentaria
3
COND
000
001
010
RZ
011
RN
100
COND (IR13-11) 101
110
111
Cond
1
Z
N
N+Z
no Z
no N
no N+Z
Salto
BR
BEQ
BL
BLE
HALT
BNE
BGE
BG
26
13
Cálculo de Direcciones
0LQ
%$1&2
'(
5(*,67526
0#
3&
0(025,$
5#
'RXW
3&#
,5
0RXW
/(
27
La Máquina Rudimentaria
5I 18
0LQ
6/
%$1&2
'(
5(*,67526
81,'$' '( &21752/
&5 I
5G
(5G
6(
'RXW
(
3&#
'LQ
/GB5$
(;7
/GB,5
/GB3&
,5
/GB5#
0#
0(025,$
5I
5#
5I5L
3&
U P C
/GB5=
/GB51
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0RXW
(5G
23(5$5
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5$
&2
23
$
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(9$/8$&,21
'( /$
&21',&,21
5=
51
%
$/8
23(5$5
23
&21'
/(
14
Indice
• Arquitectura de la Máquina Rudimentaria
• Lenguaje Máquina
• Unidad de Proceso
• Unidad de Control
U P C
29
La Máquina Rudimentaria
Unidad de Control
• Diseñada mediante el uso de máquinas de estados
finitos, siguiendo el modelo de Moore.
• Dos versiones de complejidad progresiva:
• UC no optimizada, cada fase en un estado.
• UC optimizada, cada estado implementa diversas fases.
• Posterior síntesis como ejercicio práctico.
U P C
La Máquina Rudimentaria
30
15
Unidad de Control
XXX
XXX
XXX
/32
XXX
32
/62(
$5,70(7,&$6
62(
11X
/2$'
(CO Cond)
)(7&+
)
XXX
00X
'(&
$'5
$'
0XX
'(
01X
/2$'
/
6725(
6725(
6
10X
XXX
(&6
XX0
XX1
(&
U P C
$'5
XXX
%5$1&+
6$/72
%
$'
31
La Máquina Rudimentaria
Unidad de Control
XXX
XXX
$5,7
XXX
$5,70(7,&$6
$
11X
/2$'
(CO Cond)
)(7&+
)
XXX
00X
'(&2
'
01X
/
6725(
6
/2$'
6725(
101
XXX
U P C
La Máquina Rudimentaria
%5$1&+
6$/72
%
32
16
5I
5I
5I5L
18
5I
&RQG
5I
5I5L
18
&RQG
5G
&5I
(5G
/GB5$
/GB,5
/GB3&
/GB5#
/GB5=
/GB51
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6/
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'RXW
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6(
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6(
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6/
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5G
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/GB,5
/GB3&
/GB5#
/GB5=
/GB51
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(5G
23(5$5
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(9$/8$&,21
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&21',&,21
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5=
51
5=
51
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5$
$
$
$/8
$/8
(;7
%
(;7
%
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23
&2 23(5$5
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R@
3&
R@
3&
0#
0LQ
fetch
3&#
0RXW
/(
0#
0LQ
deco
3&#
0(025,$
/(
0RXW
0(025,$
81,'$' '( &21752/
81,'$' '( &21752/
17
5I5L
5I
5I
18
5I
&RQG
5I
5I5L
18
&RQG
5G
&5
&5II
(5
(5GG
/GB5$
/GB,5
/GB3&
/GB5#
/GB5=
/GB51
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%$1&2
'(
5(*,67526
6(
(
(
6(
'LQ
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'(
5(*,67526
6/
(9$/8$&,21
'( /$
&21',&,21
&5
&5II
5G
(5
(5GG
/GB5$
/GB,5
/GB3&
/GB5#
/GB5=
/GB51
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&5I
(5G
23(5$5
&2
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'( /$
&21',&,21
&21'
5=
51
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51
5$
5$
$
$
$/8
$/8
(;7
%
(;7
%
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23
&2 23(5$5
23 ,5
23
&2 23(5$5
23 R@
3&
R@
3&
3&#
3&#
0#
0LQ
arit
0#
0LQ
load
/(
0RXW
0(025,$
/(
0RXW
0(025,$
81,'$' '( &21752/
81,'$' '( &21752/
18
5I
5I
5I5L
18
5I
&RQG
5I
5I5L
18
&RQG
5G
&5
&5II
(5
(5GG
/GB5$
/GB,5
/GB3&
/GB5#
/GB5=
/GB51
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&5I
(5G
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6/
&21'
'LQ
'RXW
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'(
5(*,67526
6(
(
(
6(
'LQ
'RXW
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'(
5(*,67526
6/
(9$/8$&,21
'( /$
&21',&,21
&5
&5II
5G
(5
(5GG
/GB5$
/GB,5
/GB3&
/GB5#
/GB5=
/GB51
3&#
&5I
(5G
23(5$5
&2
(9$/8$&,21
'( /$
&21',&,21
&21'
5=
51
5=
51
5$
5$
$
$
$/8
$/8
(;7
%
(;7
%
,5
23
&2 23(5$5
23 ,5
23
&2 23(5$5
23 R@
3&
R@
3&
0#
0LQ
store
3&#
3&#
0RXW
/(
0#
0LQ
branch
0(025,$
/(
0RXW
0(025,$
81,'$' '( &21752/
81,'$' '( &21752/
19
Indice
•
•
•
•
Arquitectura de la Máquina Rudimentaria
Lenguaje Máquina
Unidad de Proceso
Unidad de Control
• Lenguaje Ensamblador
U P C
39
La Máquina Rudimentaria
Lenguaje Ensamblador
• Instrucciones
• Directivas
• Reserva de memória
• Asignación
• Inicio y fin de programa
•
•
•
•
U P C
Etiquetas
Macros
Proceso de ensamblado
Ejemplo
La Máquina Rudimentaria
40
20
Instrucciones
Aritméticas:
Salto:
ADDI Rf, #num, Rd
SUBI Rf, #num, Rd
ADD Rf1, Rf2, Rd
SUB Rf1, Rf2, Rd
ASR Rf1, Rd
AND Rf1, Rf2, Rd
Acceso a memória:
BR dir_absoluta
BEQ dir_absoluta
BL dir_absoluta
BLE dir_absoluta
BNE dir_absoluta
BGE dir_absoluta
BG dir_absoluta
HALT
LOAD dir_base(Ri), Rd
STORE dir_base(Ri), Rd
U P C
La Máquina Rudimentaria
41
Directivas
Reserva de memória:
.dw n1 {, n2, … , nN }
.rw n
Asignación:
identificador = expresión
Inicio y fin de programa:
.begin identificador
.end
U P C
La Máquina Rudimentaria
42
21
Etiquetas
Definición:
etiqueta: instrucción o directiva
Utilización:
Instrucciones de acceso a memória
Instrucciones de salto
Directiva de inicio
Creación de expresiones
U P C
43
La Máquina Rudimentaria
Macros
Creación de pseudo-instrucciones
Declaración:
.def nombre { argumento {, argumento }}
{ cuerpo de la macro }
.enddef
Argumentos:
$dn: el operando es una dirección de memória
$in: el operando es una constante inmediata
$n: el operando es un registro
U P C
La Máquina Rudimentaria
44
22
Proceso de Ensamblado
Ensamblado en dos fases:
• Pre-ensamblado
Expansión de macros y creación de la tabla de
símbolos
> pren programa macros
programa.mr + macros.mr => programa.asm
• Post-ensamblado
Creación del código máquina ejecutable
> posten programa
programa.asm => programa.cod
U P C
45
La Máquina Rudimentaria
Ejemplo: Fichero de Macros
.DEF CMP $1,$2
SUB $1,$2,R0
.ENDDEF
.DEF CMP $1,$i2
SUBI $1,$i2,R0
.ENDDEF
.DEF CLR $1
ADD R0, R0, $1
.ENDDEF
.DEF MOV $1, $2
ADD $1,R0, $2
.ENDDEF
.DEF MOV $i1,$2
ADDI R0,$i1,$2
.ENDDEF
U P C
La Máquina Rudimentaria
.DEF MOV $d1, $2
LOAD $d1, $2
.ENDDEF
.DEF MOV $d1,$d2,$3
LOAD $d1,$3
STORE $3,$d2
.ENDDEF
.DEF INC $1
ADDI $1, #1, $1
.ENDDEF
.DEF DEC $1
SUBI $1, #1, $1
.ENDDEF
46
23
Ejemplo: Programa Ensamblador
.BEGIN ini
;Calculo del factorial de un numero
;
N:
.DW 4
FACT:
.RW 1
INI:
LOAD N(R0), R1
MOV R1, R3
CLR R4
;producto de los elementos del factorial
CMP R1, #1
M1:
BLE FM1
MOV R1, R2
;producto de numeros mediante sumas
CMP R2, #1
M2:
BLE FM2
ADD R4, R3, R4
U P C
FM2:
FM1:
DEC R2
BR M2
MOV R4, R3
CLR R4
DEC R1
BR M1
STORE R3, FACT(R0)
.END
47
La Máquina Rudimentaria
Ejemplo: Pre-ensamblado
.BEGIN ini
n:
.DW 4
fact: .RW 1
ini: load n(R0),R1
m2:
;cmp R2,#1
subi R2,#1,R0
;end cmp R2,#1
ble fm2
add R4,R3,R4
;mov R1,R3
add R1,R0,R3
;dec R2
subi R2,#1,R2
;end mov R1,R3
;clr R4
;end dec R2
add R0,R0,R4
;end clr R4
m1:
br m2
fm2:
subi R1,#1,R0
;end mov R4,R3
;clr R4
;end cmp R1,#1
add R0,R0,R4
ble fm1
;end clr R4
;mov R1,R2
add R1,R0,R2
;end mov R1,R2
U P C
;mov R4,R3
add R4,R0,R3
;cmp R1,#1
La Máquina Rudimentaria
……...
48
24
Indice
•
•
•
•
•
Arquitectura de la Máquina Rudimentaria
Lenguaje Máquina
Unidad de Proceso
Unidad de Control
Lenguaje Ensamblador
• Entorno de Simulación
U P C
49
La Máquina Rudimentaria
Entorno de simulación
Simulador de la Máquina Rudimentaria:
•
•
•
•
Simulador gráfico en entorno Windows
Lenguaje ensamblador
Plegado y desplegado de las macros
Unidad de proceso / Unidad de control
Ejecución:
•
•
•
•
U P C
Ciclo a ciclo
Instrucción a instrucción
Inserción de break-points
Generación de trazas mediante cronogramas
La Máquina Rudimentaria
50
25
26
27
28
29
30
Documentación
• “La Máquina Rudimentaria”. CPET, Diciembre 1995
• “Apuntes de la Máquina Rudimentaria”.
CPET, Octubre 1996, Febrero 1997, Noviembre 1997 (2a Ed.).
• “Problemas de la Máquina Rudimentaria”.
CPET, Febrero 1997, Noviembre 1997 (2a Ed.).
• “La Máquina Rudimentaria, un Procesador Pedagógico”.
III Jornadas de Enseñanza Universitaria de Informática, Junio
1997.
• “Fundamentos de Computadores”.
R. Hermida, A del Corral, E. Pastor y F. Sánchez, Ed. Síntesis,
Enero 1998.
U P C
La Máquina Rudimentaria
62
31