22596

Імітаційна модель процесора

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Команда як послідовність деяких дій над даними виконується по тактам мікропрограма команди. Команда має вигляд: Код команди 1й операнд 2й операнд . Найчастіше результат команди заноситься за місцем першого операнда. Формат операндів закладається у формат команди.

Украинкский

2013-08-03

97.5 KB

7 чел.

Архітектура ЕОМ

Лабораторна робота   "Імітаційна модель процесора"

  1.  Теоретичні відомості

Структура процесора

Зпрощено будь-який процесор може бути представлений як пристрій, що виконує фіксовану кількість операцій над фіксованим форматом даних.

Операції, будучи обмеженими заданими форматами, називаються командами. Послідовність команд утворює програму в кодах конкретного процесора (або об’єктна програма).

Команда, як послідовність деяких дій над даними, виконується по тактам (мікропрограма команди). І, у залежності від формату операндів, кількість тактів може бути різна. Процесор працює з командами та даними, де дані є не просто масивами бітових рядків, а операндами команд. Тобто доступ процесора до пам’яті виконується у вигляді звернення (зчитування/запис) до операндів. По суті, нічого іншого процесор не робить. Команда має вигляд:

Код команди

1-й операнд

2-й операнд

........

N-й операнд

З максимальною кількістю операндів для команд пов’язується поняття адресності процесора. Типові реалізації: 1адресні, 2-адресні та 2.5-адресні (коли третій операнд неявний, або один чи декілька операндів задають діапазон фактично задіяних операндів). Найчастіше результат команди заноситься за місцем першого операнда. Таким чином, процесор вирізняє у оперативній пам’яті (ОП)  коди і дані, які за формою співпадають між собою (це бітові рядки заданих форматів). Формат операндів закладається у формат команди. Зафіксовану множину команд, їх формати та формати даних відносять до програмної моделі процесора.

Абсолютно повноцінно може виконуватися програма використача, коли всі операнди є полями в ОП. Але типово у програмах ланцюжки команд готують проміжні результати для наступних за ними команд, тобто частина даних постійно потрібна на протязі деякого сегменту команд, Тому якщо такі дані зберігати в ОП, щоб зразу їх викликати для наступного вираза, недоцільно, бо швидкість роботи процесора перевищує швидкості всіх інших пристроїв, включно із ОП, яка є звичайним пристроєм на шині системи. З метою оптимізації переміщення даних процесори завжди мають свою власну невелику пам’ять у вигляді регістрів. Останні, як правило, спеціалізують під конкретні формати даних: 32-бітні цілі, 32/64-бітні з плаваючою точкою тощо, і кількісно їх – від десятків до декількох сотень. Також регістрам присвоюється власне ім’я чи номер. Відповідно, компілятори оптимізують код генеруємих програм для максимального використання регістрів. Серед команд є обов’язково команди переміщення даних, зокрема, і занесення даних з ОП у регістри та обміну кодами між регістрами. В одноадресних процесорах для виконання бінарних операцій вводиться, як правило, регістр суматор для неявного представлення одного з операндів, він же і приймає результат.

Розглянемо основний склад структур представлення внутрішніх даних будь-якого універсального процесора (без реалізації конвейєра команд).

  1.  Регістри даних: цілих та адрес, даних з плаваючою точкою. Цілочисельні регістри часто іменують регістрами загального використання.
  2.  Регістр команди, яка в даний момент інтерпретується. Процес інтерпретації полягає у занесенні операндів до регістра команди або регістра процесора у формі фактичного операнда, бо на рівні команди операнди можуть представлятися: а) явно у команді (літералом, константою); б) номером/ім’ям регістра; в) адресою у ОП; г) косвеною адресою, тобто адресою поля ОП чи регістра, в якому зберігається адреса значення операнда.
  3.  Регістр стану, в якому фіксується бітовими комбінаціями, зокрема:
  •  знак попередньої арифметичної операції (мінус, нуль чи плюс);
  •  виникнення переповнення;
  •  втрата значимості (коли у числі з плаваючою точкою при ненульовому порядку мантиса стала нульовою);
  •  превілевійовані режими, деякі аварійні ситуації;
  •  ключ захисту пам’яті (маска пам’яті) тощо.
  1.  Регістр адреси поточної чи наступної команди.

Представлення цілочисельної інформації в процесорах та пам’яті

Для представлення цілих зі знаком є багато кодів, проте найчастіше використовується прямий та додатковий коди. У прямому коді серед N бітів числа виділяється один знаковий біт (0- плюс, 1 –мінус), а інші біти представляють число 2-й системі числення за модулем:

біт N-1

біт знаку

біт N-2 числа

(старший)

біт N-3 числа

…………

біт 1 числа

біт 0 числа

(молодший)

Наприклад, у форматі із 8 бітів число –5 матиме у прямому коді вигляд 10000101, а +5 таке: 00000101.

Додатковий код був задуманий для того, щоб команду додавання та віднімання реалізувати на апаратному рівні як одну команду, проте на рівні програмної моделі процесора залишається і команда додавання, і віднімання. Побітовий формат числа аналогічний наведеному вище, а біти числа кодуються дещо по-іншому.

Додатнє число у додатковому коді співпадає з формою прямого коду. Від’ємне ж число будується так:

Крок

Дія

Коментар

1

Представляємо число у прямому коді і як додатнє

Представимо, наприклад, –5 у додатковому коді (знаковий біт – зліва):         00000101

2

Інвертуємо всі біти

   11111010

3

До отриманого числа додаємо 1

   11111010

+

   00000001

4

Отримуємо число у додатковому коді

   11111011

Наприклад, число –1 у додатковому коді у всіх бітах формату буде мати 1. Тепер, коли всі операнди представлені у додатковому коді, ми можемо виконувати лише операцію додавання. Знакові біти приймають участь у операції і приймають біти переносу від молодших розрядів. Для прикладу складемо (+5)+(-5), маючи до послуг вже отримане представлення у форматі з 8 біт:

   00000101

+

   11111011

1’00000000

де апострофом відокремлений біт переносу в результаті переповнення у знаковому біті, тобто це вже мав бути 9-й біт, але для 8-бітного формату він втрачається, - отже в результаті отримуємо 00000000.

  1.  Постановка задачі

Необхідно розробити програмну модель процесора та реалізувати його імітаційну модель.

Виконавець самостійно вибирає:

  1.  бітність процесора (шини даних, мінімум 8 біт);
  2.  набір команд, що підтримує процесор, їх кодування (мнемоніку), число операндів;
  3.  мікропрограму для кожної команди;
  4.  кількість тактів для виконання кожної команди;
  5.  систему адресації (фактично форму задання і кількість операндів);
  6.  структуру оперативної пам’яті.

Має бути реалізовано:

  1.  мінімум 2 команди (одна з них - занесення значення у регістр);
  2.  програма мінімум із 3-х інструкцій з можливістю коректування (достатньо в тексті програми);
  3.  робота із додатніми та від’ємними цілими (у прямому чи додатковому коді) з представленням у 2-му вигляді;
  4.  фіксація у регістрі стану  як мінімум знаку результату;
  5.  потактове виконання команд (відрахунок тактів).

  1.  Рекомендації щодо виконання роботи
  2.  Щодо вибору кількості тактів для команд - мінімально достатньо двох: 1-й) занесення поточної команди у регістр команди; 2-й) виконання команди.
  3.  Щодо реалізації ОП -  можна обмежитися роботою лише з загальними регістрами, початкові дані на які заносяться програмно.
  4.  Для відрахунку тактів найзручніше брати клік будь-якої клавіші чи фіксованої групи клавіш клавіатури. Доцільно завжди мати можливість вийти із стану інтерпретації програми процесором за допомогою, наприклад, Esc. Реалізавція програмної затримки для кожного такта недоцільна у порівнянні із "тактуванням" за допомогою миші чи клавіатури, бо вибраний вами темп може перешкоджати аналізу виконуваних дій. Можливий, звичайно, і режим автоматичного виконання (без "ручних" тактів).
  5.  Інтерпретуєма програма може бути заданою у тексті програми (символьний масив тощо) чи у вхідному текстовому файлі. Але має бути передбаченою можливість зміни програми.
  6.  На екрані (достатньо в режимі скролінгу тексту і без рамок для даних) для кожного такту повинні бути представлені такі структурні елементи процесору із даними на них:

Зауваження: якщо вибрати одноадресну модель команд, то ще потрібний суматор.

Приклад інтерпретуємої програми (ланцюжка команд):

  •  Нехай процесор має чотири загальних регістри: R1, R2, R3, R4 довжиною 8 біт. Спочатку у регістрах будь-яке значення.
  •  Для представлення даних використовується додатковий код.
  •  Всі інші регістри – як на схемі вище. Власні імена регістрів виконавець може змінювати і вибирати сам.
  •  Регістр стану із одного біта – знакового біта із значенням 0 для '+' та 1 для '-'.
  •  Програма у прикладі складається із 4 таких інструкцій (команд) процесора:

Load R2, -5

Load R1, 3

Add  R1, R2

Add  R2, R3

  •  Розшифровка виконання програми наведена у наступній таблиці (фактично те, що видно на екрані, знаходиться у 3-й колонці, коментар тактів, взятий у (…) на екрані не потрібний).

Команда

Коментар

Демонстрація дій процесора

Load R2, -5

Завантаження у R2 константи –5

(Подаємо ззовні 1-й такт – це 1-й такт 1-ї команди)

Команда = Load R2,-5

R1 = 0101 0011     Ins = Load | R2  | 1111 1011

R2 = 0111 0011      PC = 1

R3 = 1100 0111      TC = 1

R4 = 0111 1011      PS = 0

(Подаємо ззовні 2-й такт – це 2-й такт 1-ї команди)

Команда = Load R2,-5

R1 = 0101 0011     Ins = Load | R2  | 1111 1011

R2 = 1111 1011      PC = 1

R3 = 1100 0111      TC = 2

R4 = 0111 1011      PS = 1

Load R1, 3

Завантаження у R1 константи 3

(Подаємо ззовні 3-й такт – це 1-й такт 2-ї команди)

Команда = Load R1, 3

R1 = 0101 0011     Ins = Load | R1  | 0000 0011

R2 = 1111 1011      PC = 2

R3 = 1100 0111      TC = 1

R4 = 0111 1011      PS = 1

(Подаємо ззовні 4-й такт – це 2-й такт 2-ї команди)

Команда = Load R1, 3

R1 = 0000 0011     Ins = Load | R1  | 0000 0011

R2 = 1111 1011      PC = 2

R3 = 1100 0111      TC = 2

R4 = 0111 1011      PS = 0

Add R1, R2

Скласти R1 та R2, результат у 1-му регістрі. Регістр R2 отримав значення -210.

(Подаємо ззовні 5-й такт – це 1-й такт 3-ї команди)

Команда = Add R1, R2

R1 = 0000 0011     Ins = Add  | R1  | R2       

R2 = 1111 1011      PC = 3

R3 = 1100 0111      TC = 1

R4 = 0111 1011      PS = 0

(Подаємо ззовні 6-й такт – це 2-й такт 3-ї команди)

Команда = Add R1, R2

R1 = 1111 1110     Ins = Add  | R1  | R2       

R2 = 1111 1011      PC = 3

R3 = 1100 0111      TC = 2

R4 = 0111 1011      PS = 0

Add R2, R3

Скласти R2 та R3, результат у 2-му регістрі. У регістрі R3 значення довільне, а саме –5710, на момент запуску програми. Регістр R2 отримав значення -6210.

(Подаємо ззовні 7-й такт – це 1-й такт 4-ї команди)

Команда = Add R2, R3

R1 = 1111 1110     Ins = Add  | R2  | R3       

R2 = 1111 1011      PC = 4

R3 = 1100 0111      TC = 1

R4 = 0111 1011      PS = 0

(Подаємо ззовні 8-й такт – це 2-й такт 4-ї команди)

Команда = Add R2, R3

R1 = 1111 1110     Ins = Add  | R2  | R3       

R2 = 1100 0010      PC = 4

R3 = 1100 0111      TC = 2

R4 = 0111 1011      PS = 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13757. Музыка в быту 1.54 MB
  Музыка в быту Трудно представить жизнь современного человека без музыки. Она окружает его повсюду. Музыка звучит с экранов телевизоров с мониторов компьютеров. Она сопровождает праздники развлечения и т. п. У каждого наверняка есть своя фо...
13759. Импрессионизм. Клод Моне 1.06 MB
  Импрессионизм. Клод Моне. Имрессионизм зародился в 1860 годах во французской живописи. Э. Мане О. Ренуар Эдгард Дега внесли в искусство свежестьизображение мгновенныхкак бы случай ных движений и ситуацийфрагментарность композиций ракурсы срезы фигур.В 18701880го
13760. Массовые, общедоступные искусства. Фотография 760.5 KB
  Массовые общедоступные искусства. Фотография. Огромную популярность в XX в. приобрели виды искусства связанные с техническим прогрессом. Фотография кино телевидение продукция полиграфической промышленности книги журналы газеты стали символами времени.
13761. Портрет в искусстве России 123 KB
  Портрет в искусстве России. 18 век в России называют веком портрета. Портрет самое бесспорное достижение нашей национальной школы именно благодаря чему русская живопись достигла уровня европейской. В жанре портрета писали лучшие русские художники: Ф. Рок...
13762. Особенности киномузыки 609.5 KB
  Особенности киномузыки Итак фильма без музыки не существовало никогда. Даже во времена немого кино под сменяющиеся друг друга экранные картины импровизировал музыканттапёр. Одним из таких тапёров в студенческие годы был Д. Шостакович. В кино музыка не требует отдель...
13763. Государственная (итоговая) аттестация по ФИЗИКЕ 215.25 KB
  Государственная итоговая аттестация по ФИЗИКЕ Тренировочный вариант № 1 Инструкция по выполнению работы На выполнение экзаменационной работы по физике отводится 3 часа 180 минут. Работа состоит из 3 частей и включает 27 заданий. Часть 1 содержит 19 заданий 1–19. К к
13764. Проблемы развития малых и средних гостиниц на примере гостиницы Park Hotel г.Ставрополя 97.5 KB
  Выявить требования к организации деятельности малых гостиниц; Описать особенности организации и специфику деятельности малых гостиниц как наиболее перспективных в развитии малого бизнеса; Провести анализ работы малых гостиниц на базе гостиницы «Park Hotel» города Ставрополя
13765. Связь грамматики и лексики в русском языке 95.09 KB
  Сочинение рассуждение на основе прочитанного текста С2. Первый раздел тем. Связь грамматики и лексики в русском языке Возможные цитаты которые могут быть в этом разделе Грамматика может показать как люди пользуются яз