Fejlesztés Development | CPU | Számítógép Computer | Assembler | Monitor | Függvények Library
A mikroprocesszor egy RISC felépítésű (LOAD/STORE), Neumann architektúrájú 32 bites soft processzor, amelyet FPGA-val valósítunk meg.
A mikroprocesszor a szokásos építőelemekből áll.
Az ütemező állítja elő a vezérlő jeleket a processzor többi eleme számára. Az ütemező állapot kódokat állít elő a működési fázisok jelzésére, az állapotok a CLK bemenetre adott órajel hatására követik egymást. Az állapotok bináris sorszáma a CLKstat kimeneten jelenik meg. A RESET bemenet az ütemezőt alaphelyzetbe állítja.
A vezérlőhöz tartozik még az ún. utasítás regiszter, amely a beolvasott utasítást tárolja a végrehajtás idejére.
Mivel a processzor Neumann architektúrájú, ezért csak egy memória illesztővel rendelkezik. Ezen az illesztőn keresztül olvassa be az utasításokat, és ezen az illesztőn keresztül végzi el memória írási és olvasási műveleteket is.
Az illesztő az MA kimeneteken adja ki a művelethez használandó memória címet (32 bites). Írás esetén a memóriába tárolandó adat az MDO kimeneteken jelenik meg (32 bit). Ebben az esetben az MWE kimenet magas szintű lesz (írás jelzés).
Olvasás műveletnél a megcímzett memória tartalmát az MDI bemenetre kell juttatni, ekkor az MWE kimenet alacsony lesz. Mind írás, mind olvasás esetén megjelenik az MCLK kimeneten egy impulzus, ennek felfutó éle használható a memória számára beíró jelként, illetve a pufferelt kimenetű memóriák esetén a kimeneti puffer beírására.
A processzor által kezelt memória 32 bites szélességű, minden 32 bites rekesznek külön címe van. Memória műveletnél a processzor a megcímzett rekeszből 32 bites adatot olvas be, illetve 32 bites adatot ír ki.
A processzor állapota a belső regiszterekben tárolódik. A regiszter készlet 16 db 32 bites regiszterből áll. A regiszterek elnevezése: R0, R1...R15.
A processzor az R15 regisztert használja program számlálóként (Program Counter), ezért ennek tartalma minden utasítás végrehajtásakor eggyel növekszik.
A CALL utasítás a visszatéréshez szükséges címet az R14 (Link Regiszter) regiszterbe menti.
A processzor nem használ verem műveleteket, a verem megszervezése a programozó feladata. Az ehhez szükséges verem mutató (Stack Pointer) céljára bármelyik regiszter felhasználható. A programok megírásakor az R13 regisztert használtuk SP-ként.
Az adat manipulációs műveleteket az ALU végzi, amely 32 bites egész (előjeles és előjel nélküli) adatokkal tud műveleteket végezni. Az ALU-nak 3 adat bemenete van: Rd, Ra, Rb. Az Rd bemenetre az eredményt eltároló regiszter eredeti (művelet előtti) értékét kell kötni. Az Ra és Rb bemenetekre a művelet operandusaként használt regiszterek értéke kerül. Az egy operandusú műveletek csak az Ra bemenetet használják, míg a két operandusú műveletek az Ra és az Rb értékeket használják fel. Az operandus nélküli műveleteknél az eredmény a változatlan Rd bemeneti érték lesz.
Az aritmetikai egység a műveletek eredményének jellemzőit a FLAG regiszterben tárolja el. Ez a regiszter nem része az általános regiszter készletnek, a tartalmához az utasítások speciális módon férhetnek csak hozzá.
Aritmetikai műveletek után azt jelzi, hogy előjel nélkülinek tekintve az operandusokat, volt-e túlcsordulás (1: volt, 0: nem volt).
Aritmetikai műveletek után azt jelzi, hogy előjelesnek tekintve az operandusokat, volt-e túlcsordulás (1: volt, 0: nem volt).
Aritmetikai műveletek után után az eredmény előjelét jelzi (1: negatív, 0: pozitív)
Aritmetikai és logikai műveletek után azt jelzi, hogy az eredmény nulla-e (1: igen, 0: nem)
Az utasítások végrehajtása a következő fázisokból áll.
Ebben a fázisban a processzor elvégzi a soron következő utasítás beolvasását. Az MA kimeneten megjelenik az R15 regiszter tartalma, az MWE kimenet alacsony szintű lesz, míg az MCLK kimeneten megjelenik egy felfutó él.
A következő fázisban fetch során megcímzett memória tartalom megjelenik az MDI bemeneten, ezt a processzor eltárolja az utasítás regiszterben. Ezzel egyidejűleg az R15 tartalma eggyel nő.
Az utasítás regiszter által meghatározott regiszterek tartalma megjelenik az ALU bemenetein, ezek az adatok áthaladnak az ALU-ban lévő aritmetikai hálózatokon. Ezek mindegyike kombinációs (nem sorrendi) hálózat, de több szintű felépítésük miatt a kimeneti eredmények megjelenéséhez több idő kell. Ennek kivárására szolgál a “számítás” fázis.
Az utasítás regiszter tartalma azt is meghatározza, hogy az ALU kimenetén melyik hálózat eredménye jelenjen meg.
Ha az utasítás memória műveletet ír elő, akkor az ebben a fázisban zajlik le. Az MA kimeneten az utasításban meghatározott regiszter tartalma jelenik meg címként, írás esetén az MDO kimenetekre az utasításban megadott (kiírandó) regiszter tartalma kapcsolódik. Az MWE kimenet az elvégzendő műveletnek megfelelő értékű lesz. Az MCLK kimeneten megjelenik egy felfutó él. Olvasáskor a memóriának a címzett rekesz tartalmát az MDI bemenetre kell kapcsolnia, és ott kell tartania a következő fázis ideje alatt is. Ezért az MA kimeneteken a cím fennmarad a következő fetch fázis elejéig.
Ha nincs szükség memória műveletre, akkor ebben a fázisban semmi sem történik. Ez megnöveli az aritmetikai eredmények kiszámításához rendelkezésre álló időt.
Az utasítás eredménye vagy az ALU kimenetén megjelent adat, vagy memória olvasásnál az MDI bemenetek állapota. Az eredmény tárolási (visszaírási, Write-Back) fázisban ez az érték beíródik az utasítás által meghatározott regiszterbe. Néhány utasításnak nincs eredménye, ezeknél az írás nem zajlik le (pl. memóriába írás, “nincs művelet” utasítás). Aritmetikai utasításoknál az ALU által előállított jelzőbitek is beíródnak a flag regiszterbe.
A processzor utasítás készlete 8 utasításból áll. Minden utasítás kódja 32 bites, egy memória rekeszben tárolódik.
Minden utasítás ellátható egy feltétellel, ekkor a memória írási és a visszaírási műveletek csak akkor hajtódnak végre, ha a feltétel teljesül. A feltétel megadja, hogy mely jelzőbit milyen értéke esetén lesz igaz. A feltétel elhelyezkedése az utasítás kódjában a következő:
FFVC.---- ----.---- ----.---- ----.----
Az F jelű bitek jelölik ki a flag bitet:
A feltétel akkor teljesül, ha a kiválasztott jelzőbit értéke egyezik az utasításban lévő V bit értékével. A feltételt a vezérlő csak akkor veszi figyelembe, ha a kódban a C jelű bit 1, egyébként az utasítás feltétel nélkül hajtódik végre.
“Nincs művelet” utasítás, hatására a memória, és a visszaírási fázisban nincs művelet.
Az utasítás diagnosztikai célra használható, segítségével meg lehet figyelni az ALU be- és kimeneti értékeit.
LOAD memory to register. Memória tartalom regiszterbe való beolvasására használható utasítás.
STORE register to memory. Egy regiszter memóriába írására használható utasítás.
MOVE register to register. Regiszter másolás utasítás, az Ra regiszter értékét átmásolja az Rd regiszterbe.
LOAD low half, set high half 0. Konstans adat regiszterbe írásához használható, az adat az utasításban található. Az adat 16 bites, a megadott regiszter alsó helyi értékű felére kerül, a regiszter felső helyi értékű fele 0 lesz.
LOAD low half of register. Konstans adat regiszterbe írásához használható, az adat az utasításban található. Az adat 16 bites, a megadott regiszter alsó helyiértékű felére kerül, a regiszter felső helyiértékű fele nem változik.
LOAD high half of register. Konstans adat regiszterbe írásához használható, az adat az utasításban található. Az adat 16 bites, a megadott regiszter felső helyi értékű felére kerül, a regiszter alsó helyi értékű fele nem változik.
Szubrutin hívás. Mivel a processzor memóriában lévő vermet nem kezel, a visszatérési címet (az R15 megnövelt értékét, amely a CALL-t követő utasítás címét tartalmazza) a memória fázisban átmásolja, beírja az R14 regiszterbe. Egymásba ágyazott szubrutin hívások esetén az R14 mentéséről a programozónak kell gondoskodnia.
Az utasítás kódjában csak 27 bites cím helyezhető el, ezért csak a memória tartomány első 32-ed részében lévő szubrutint lehet meghívni.
A szubrutinból való visszatéréshez az R14 (LR) értét kell bemásolni az R15-be (PC) egy MOV utasítással.
Ezek az utasítások az ALU kimenetén megjelenő adatot használják a visszaírási fázisban. Az utasítások kódja:
FFVC.0111 DDDD.AAAA BBBB.OOOO OXXX.XXXX
Az FFVC bitek a végrehajtási feltételt adják meg, a DDDD az eredményt tároló regiszter száma, az AAAA és BBBB bitek pedig az operandusokat tartalmazó regiszterek sorszámai. Az OOOOO bitek választják ki, hogy az ALU hálózatai közül melyik eredményét használjuk. Ez alapján maximum 32 művelet lehetséges, de ennél jelenleg kevesebb van megvalósítva.
Összeadás átvitel nélkül.
Összeadás átvitellel.
Kivonás átvitel nélkül.
Kivonás átvitellel.
Növelés eggyel. Az Ra regiszter eggyel növelt értéke az Rd regiszterbe kerül. Az Ra és az Rd ugyanaz is lehet.
Csökkentés eggyel. Az Ra regiszter eggyel csökkentett értéke az Rd regiszterbe kerül. Az Ra és az Rd ugyanaz is lehet.
Bitenkénti és művelet. Az eredmény egyes helyi értékei a két operandus ugyanazon helyi értékein lévő két bit közötti logikai ÉS művelet eredményeként keletkeznek. Bit(ek) vizsgálatára, illetve bit(ek) 0-ba állítására használható.
Bitenkénti vagy művelet. Az eredmény egyes helyi értékei a két operandus ugyanazon helyi értékein lévő két bit közötti logikai VAGY művelet eredményeként keletkeznek. Bit(ek) 1-be állítására használható.
Bitenkénti kizáró vagy művelet. Az eredmény egyes helyi értékei a két operandus ugyanazon helyi értékein lévő két bit közötti logikai KIZÁRÓ VAGY művelet eredményeként keletkeznek. Bit(ek) összehasonlítására, illetve negálására használható.
Bitenkénti (logikai) eltolás, egy bittel balra. Az Ra regiszter minden bitje egy helyi értékkel feljebb lép, a 0-ik bit 0 lesz. A legfelső helyi értékű bit a C jelzőbitbe másolódik. Az eredmény az Rd regiszterbe kerül.
Bitenkénti (logikai) eltolás, egy bittel jobbra. Az Ra regiszter minden bitje egy helyi értékkel lejjebb lép, a 31-ik bit 0 lesz. A legalsó helyi értékű bit a C jelzőbitbe másolódik. Az eredmény az Rd regiszterbe kerül.
Bitenkénti (aritmetikai) eltolás, egy bittel jobbra. Az Ra regiszter minden bitje egy helyi értékkel lejjebb lép, a 31-ik bit nem változik. A legalsó helyi értékű bit a C jelzőbitbe másolódik. Az eredmény az Rd regiszterbe kerül.
Forgatás egy bittel balra, a C jelzőbiten keresztül. Az Ra regiszter tartalmának minden bitje egy helyi értékkel balra lép. A legfelső helyi értékű bit a C jelzőbitbe kerül, aminek az eredeti értéke lép be a legalsó helyi értékre. Az eredmény az Rd regiszterbe kerül.
Forgatás egy bittel jobbra, a C jelzőbiten keresztül. Az Ra regiszter talmának minden bitje egy helyi értékkel jobbra lép. A legalsó helyi értékű bit a C jelzőbitbe kerül, aminek az eredeti értéke lép be a legfelső helyi értékre. Az eredmény az Rd regiszterbe kerül.
32 bites adatok szorzása. A 64 bites eredmény alsó 32 bitjét számolja ki.
32 bites adatok osztása, az eredmény egész részét számolja ki.
Összehasonlítás. A művelet a SUB utasítással egyezik, de az eredmény nem íródik be az Rd regiszterbe, csak a jelzőbitek tárolódnak el.
A C jelzőbit 1-be állítása.
A C jelzőbit 0-ba állítása.
A processzor működése nyomon követhető a teszt kimeneteken megjelenő jelek megfigyelésével.
A CLKstat kimenetek az egymás utáni fázisok sorszámát adják bináris kódban.
A TREG kimeneteken a 16 regiszter egyikének értéke nyerhető ki, a regiszter sorszámát a TRS bemenetekre kell kapcsolni, 4 bites bináris kódban.
A TR kivezetéseken a processzor valamely belső adatát lehet megjeleníteni, a megfelelő adatot a TRS bementekre adott 4 bites bináris kóddal lehet kiválasztani.
| TRS bemenet értke | TR kimeneteken megjelenő adat |
| 0 | R15 (PC) értéke |
| 1 | R14 (LR) értéke |
| 2 | R13 regiszter értéke (általában SP) |
| 4 | IC (utasítás regiszter) értéke |
| 5 | ALU kimenete |
| 6 | Utasítás eredménye |
| 7 | Visszaírásnál használt adat |
| 8 | ENA (utasítás feltétel értéke), Rd, Ra, Rb regiszterek sorszámai |
| 9 | Az Rd regiszter értéke |
| 10 (A) | Az Ra regiszter értéke |
| 11 (B) | Az Rb regiszter értéke |
| 12 (C) | Az ütemező kimenő vezérlő jelei |
| 13 (D) | MA (memória illesztő cím kimenete) |
| 14 (E) | MDO (memória illesztő adat kimenete) |
| 15 (F) | MDI (memória illesztő adat bemenete) |