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MU0-Rechner

Historie

• SSEM Small Scale Experimental Machine erste erfolgreiche Implementierung des Von-Neumann-Rechners
  • 1948 erstmals Programm aus dem Speicher ausgeführt

Elemente

• Steuerwerk
  • Control - Takt, Steuerlogik
  • IR - Instruction Register - speichert den aktuellen Befehlscode
  • PC - Programm Counter - speichert die aktuelle Programmadresse
• Rechenwerk
  • ALU - Arithmetic Logic Unit - kann rechnen
  • ACC - Akkumulator - Ergebnis Register für Rechnungen
• Speicherwerk
  • Memory - speichert Programme und Daten
• Bus - verbindet alle Elemente

Steuerwerk

• Steuert Elemente mithilfe von Steuersignalen
• Besteht aus
  • Ablaufsteuerung / Steuerlogik
  • Dekodierer
  • Befehlsregister IR
  • Befehls-Zähler PC
• Endlicher Automat, der gemäß der Steuerlogik Steuersignale schaltet
• führt für jeden Befehl ein Mikroprogramm aus Mikroschritten aus

Register

• Zwischenspeicher
  • Register-Größe: 1 Wort (16 Bit)
• Arbeitsmodus Lesen / Schreiben
  • output enable liegt an → Daten ausgeben (schreiben)
  • input enable liegt an → Daten einlesen
• Ausgeben und Lesen erfolgt jeweils beim Flankenwechsel
  • Ausgeben erfolgt einen halben Takt früher als das Lesen, sodass ein Register in einem Zyklus schreiben und lesen kann
  • 

Speicher

• Stelle im Speicher wird über eine Adresse angesprochen
• Adresse wird vom Adressbus gelesen
• Daten werden vom Datenbus gelesen bzw. geschrieben
• 

Datenpfade

• je nach Steuerungscode lesen / schreiben
• geschriebene Daten liegen an Datenpfad an
• immer nur 1 Element schreiben
• 

ALU

• über Steuercode wird Funktion ausgewählt
  • Eingang A, B führt aus
  • mögliche Funktionen:
    • A+Β
    • A-B
    • A*Β
    • Konjunktion (logisches UND, bitweise)
    • Disjunktion (logisches ODER, bitweise)
    • Vergleich von A und B (bitweise)
    • ...

Beispiel für einen Befehlsablauf

Der Rechenzyklus

Fetch

1. Wert des Programmcounters auf den Adressbus legen
2. Programmcode aus dem Speicher in das Instructionregister lesen
3. ALU erhöht gleichzeitig Wert des PC und speichert diesen wieder zurück

Decode/Execute/Write für Rechenoperationen

1. Adresse des Operanden aus dem Befehl dekodieren (1)
2. Wert des angesprochenen Speicherworts an einen Eingang des ALU schalten (2)
3. zweiter Eingang der ALU erhält seine Information vom Akkumulator (2)
4. Rechenoperation wird aus dem Befehl dekodiert und and der ALU über Steuercode gewählt (1)
5. Ergebnis der Rechnung wird wieder im Akkumulator gespeichert (3)

Taktsynchronität

• Register sind Zwischenspeicher und arbeiten getaktet
  • Daten liegen taktsynchron am Bus an
• ALU und Speicher sind nicht taktsynchron
  • folgen Steuercodes und dem Inhalt auf dem Bus

Umsetzung MU0-Struktur in Hardware

• Architektur muss in Gattern und getaktet umsetzbar sein

• Prinzip des minimalen Hardwareaufwands

• Festlegung der Wortbreite: 16 Bit

• Datenpfad-Modell

• Steuerung der Elemente durch Steuercodes

• Befehle (Instruction Set)

  • Kodierung der Befehle
  • Steuerlogik

Datenpfad-Modell

• bisheriges Bild lässt sich nicht 1:1 umsetzen
  • ALU hat nur zwei Eingänge
    • Getrennte Datenpfade für jeden ALU-Eingang
  • Kontrolle der PFade für Daten und Adressen durch Multiplexer

Multiplexer

• Schalter, der durch Anlegen eines Steuersignals das ausgewählte Eingangssignal auf den Ausgang legt

Befehlsgruppen

• Multiplexer B steht auf 1 bei allen Datenverarbeitungs-Befehlen und auf 0 bei allen Sprung-Befehlen
• Multiplexer A wird nur für Fetchzyklus auf 0 gestellt
  • ansonsten wird S (unterer Teil von IR) immer als Adresse interpretiert
• Bei _Sprung-Befehlen erfolgt kein Datenzugriff, S (IR) wird direkt nach PC verschoben

Kennwerte

• Wortbreite des Prozessors: 16 Bit
  • Registergröße
  • Busbreite
  • Eingänge/Ausgänge ALU
• Instruktionen immer 2 Takte lang
  • Fetch + Instruction (= Execute): 2 Takte
  • Schreiben + Lesen + Schreiben + Lesen: 4 Taktflanken

Elemente und Steuercodes

Speicher des MU0

• Steuersignale des Datenbus:
  • MemRQ (Memory Request)
    • Speicherbaustein wird angesprochen
  • RnW(Read / not Write)
    • gibt an, ob (von oder in) den Speicher geschrieben wird
      • Lesen bei High, Schreiben bei Low

Instruction Set des MU0-Rechners (Befehlssatz)

• Prozessor kennt keine Befehle

  • zum Laden und Speichern von Werten
  • zur Berechnung
  • zur Ablaufkontrolle

• Die Instruktionen setzen sich zusammen aus

  • einem 4 Bit Operation Code
  • einer 12 Bit Adresse
    → 16 Befehle möglich

MU0-Steuerlogik (Kontroll-Logik)

Opcode: 4Bits, Adresse: 12Bits

Fetchen

ADD S

Ein erstes MU0-Programm

Fazit

• Elemente der von-Neumann-Architektur

  • Steuerwerk, Rechenwerk, Speicherwerk, I/O

• Speicherprogrammiert

  • Programme (& Daten) liegen im Speicher

• Architektur muss in Gattern umsetzbar sein

  • Datenpfad & Steuertabelle

• Von-Neumann-Zyklus: Fetch-Decode-Execute-Write

• Steuerlogik wird über Opcodes (Befehle) abgefragt und generiert Steuercodes

• MU0 ist ein Modellrechner zum Lernen

  • 16-Bit Wortbreite, binär
  • Register: PC, IR, ACC
  • Befehlssatz (Instruction Set)
    • 4-Bit OpCode erlaubt 16 Befehle, 8 sind implementiert
  • Takt
    • Immer 2 Zyklen pro Mikroprogramm