Allgemeines 
Zur Übung wird ein Prozessor mit Hilfe von Logisim entwickelt. Vorgaben:
- 8 Bit Register und Datenbus
- Befehlsformat: 8 Bit (mit optionaler 8 Bit Konstante hinter dem Befehl)
- Befehls- und Datenspeicher: jeweils 256 Bytes
- Register: Akkumulator A, Indexregister IX
Das vollständige Prozessormodell für Logisim steht für Übungszwecke zur Verfügung.
Aufbau
Datenpfad
Der Datenpfad stellt mittels Multiplexer und Enable Signale die Verbindung der einzelnen Register und Funktionseinheiten her. Im Datenpfad sieht man die Register (A, IX), die Arithmetisch-Logische Recheneinheit (kurz ALU) und den Datenspeicher.
ALU
Die Arithmetisch-Logische Einheit besitzt zwei Eingänge für Operanden (A, B), einen Eingang zur Auswahl der durchzuführenden Rechenaoperation (OpALU), eine Ergebnisausgang und zwei Statusflags (Carry, Zero).
Übersicht über die Operationen:
| OpALU | Operation | Beschreibung |
|---|---|---|
| 000 | Result=A | Legt Operand A auf den Ausgang |
| 001 | Result=B | Legt Operand B auf den Ausgang |
| 010 | Result=A+B | Addiert A und B |
| 011 | Result=A-B | Subtrahiert B von A |
| 100 | Result=A AND B | Bitweise UND Verknüpfung |
| 101 | Result=A OR B | Bitweise OR Verknüpfung |
| 110 | Result=A EOR B | Bitweise Exclusive-OR Verknüpfung |
| 111 | Result=A>>1 | Logisches Rechtsschieben von Operand A |
Das Linksschieben ist nicht als eigene Operation angeführt. Dazu kann aber die Addition genutzt werden. Eine Addition von x mit x entspricht x*2 oder einer Linksschiebe-Operation. Das Invertieren aller Bits kann auch mittels Exclusive-OR realisiert werden, indem die Exclusive-ODER Operation mit dem Register A und der Konstante 0xFF durchgeführt wird.
MuxALU
Der Operand B der ALU kann entweder aus dem Datenspeicher stammen oder als Konstante aus dem Befehlsspeicher (Immed) kommen.
MuxMA
Die Adresse des Datenspeichers kann entweder aus dem Indexregister IX oder als Konstante aus dem Befehlsspeicher kommen.
EnA, En, StM
Die Signale EnA (Enable A), EnIX (Enable IX) und StM (Store Memory) dienen zur Speicherung der Daten. Eine 1 bewirkt die Übernahme der Daten vom Eingang des Registers in den Speicher des Registers (bei der nächsten steigenden Taktflanke).
Beispiele
Betrachtet man nun nur den Datenpfad können verschiedene Operationen realisiert werden.
| Befehl | EnA | EnIX | StM | MuxALU | MuxMA | OpALU | Beschreibung |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ld A, Imm. | 1 | 0 | 0 | 1 | X | 001 | Lädt Register A mit Konstante Imm. |
| ld A, (IX) | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 001 | Lädt Register A mit Wert an Adresse IX |
| ld A, (Imm.) | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 001 | Lädt Register A Wert an der Adresse Imm. |
| ld IX, A | 0 | 1 | 0 | X | X | 000 | Lädt Register IX mit dem Wert aus Register A |
| ld IX, Imm. | 0 | 1 | 0 | 1 | X | 001 | Lädt Register IX mit der Konstante Imm. |
| st (IX), A | 0 | 0 | 1 | X | 0 | 000 | Speichert Register A an die Adresse IX |
| st (Imm.), A | 0 | 0 | 1 | X | 1 | 000 | Speichert Register A an die Adresse Imm. |
| add A, Imm. | 1 | 0 | 0 | 1 | X | 010 | Addiert zu Register A eine Konstante |
| add A, (IX) | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 010 | Addiert zu Register A der Wert an Adresse IX |
| add A, (Imm.) | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 010 | Addiert zu Register A der Wert an Adresse Imm. |
| nop | 0 | 0 | 0 | X | X | X | Führt keine Operation aus (No Operation) |
Steuerwerk
Das Steuerwerk dient zur Steuerung des Datenpfades.
PC
Die Befehle werden mittels PC (Program Counter) adressiert. Das Register PC wird um eins erhöht, um den nächsten Befehl adressieren zu können. Bei einem Sprung wird das Register PC mit einer Konstante aus dem Befehlsspeicher geladen.
Befehlsspeicher
Der Befehls- und Datenspeicher sind getrennt voneinander. Man spricht auch von getrennten Adressräumen. Dies entspricht dem Harvard-Modell.
IR
Das Register IR (Instruction Register) speichert den aktuellen Befehl. Dies ist notwendig, da die Befehlsausführung in zwei Takten erfolgt.
Die Befehlsausführung geschieht in zwei Schritten:
- Fetch: Der Befehl wird mittels PC adressiert, aus dem Befehlsspeicher geholt und im Register IR gespeichert.
- Decode and Execute: Der Befehl wird dekodiert und ausgeführt. Dabei wird der Datenpfad entsprechend der Signale aus dem Instruktionsdekoder gesteuert.
Instruktionsdekoder
Der Instruktionsdekoder ist Teil des Steuerwerks. Ein Befehl wird dekodiert und die entsprechenden Signale für Multiplexer, Register usw. gesetzt.
Beim internen Aufbau unseres Instruktionsdekoders sieht man, dass das Befehlsbyte in verschiedene Bereiche eingeteilt ist.
- IType (2 Bit): 00 - Datenoperation, 01 - Spungbefehl
- ITarget (2 Bit)): 00 - Speichert in Register A, 01 - Register IX, 10 - Datenspeicher, 11 - keine Speicherung
- IImmed (1 Bit): Der Befehl verwendet eine Konstante aus dem Befehlsspeicher
- IParam (3 Bit): Bei Datenoperationen: Wert für OpALU, bei Sprungbefehlen: Art des Bedingten Sprungs
Das im Befehlsspeicher enthaltene Programm dekodiert sich damit folgenderweise:
| Adresse | Wert | Assembler | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| 0x00 | 0x19 | ld IX, 0x05 | Lädt IX mit der Konstante 0x05 |
| 0x01 | 0x05 | | Konstante gehört zum vorherigen Befehl |
| 0x02 | 0x01 | ld A, (IX) | Lädt den Wert von der Adresse IX |
| 0x03 | 0x0a | add A, 0x03 | Addiert zum Register A die Konstante 0x03 |
| 0x04 | 0x03 | | Konstante gehört zum vorherigen Befehl |
| 0x05 | 0x20 | st (IX), A | Speicher Register A an der Adress IX |
| 0x06 | 0x48 | jmp 0x03 | Springe zur Adresse 0x03 |
| 0x07 | 0x03 | | Konstante gehört zum vorherigen Befehl |
Einschränkungen
Unser Prozessorbeispiel beinhaltet weit nicht alle Funktionen eines mächtigeren Prozessors. So fehlt etwa ein Stackpointer oder die Möglichkeit, das PC Register zu sichern. Dies wäre notwendig, um aus Subroutinen zurückzukehren.