Endterm WS 08/09 Angabe - LRR

Ausschnitte aus der Endterm-Klausur
Einführung in die Technische Informatik
Prof. Dr. Arndt Bode
Wintersemester 2008/2009
11. Februar 2009
Angaben ohne Gewähr
Aufgabe 2 Mikroprogrammierung
In der Anlage finden Sie die Beschreibung einer mikroprogrammierbaren Maschine, in
der sie alle zur Lösung der Aufgabe notwendigen Angaben, wie die Beschreibung des
Mikroinstruktionsformates und die Funktionstabellen der Bausteine, finden.
Für diese mikroprogrammierbare Maschine ist ein kurzes Maschinenprogramm zu analysieren
und einige Mikroprogramme zu entwickeln. Die Mikroprogramme implementieren
die Maschinenbefehle, die im Maschinenprogramm verwendet werden.
Das Mikroprogramm IFETCH, das den nächsten Maschinenbefehl in das Instruktionsregister
holt, den Befehlszähler inkrementiert und entsprechend dem Befehls-Opcode das zugehörige
Mikroprogramm anspringt, kann als gegeben betrachtet werden.
Alle Mikroprogramme müssen am Ende wieder zum Anfang des Mikroprogramms IFETCH
zurückspringen. Dieses sei ab Adresse 0x000 im Mikroprogrammspeicher abgelegt.
Hexadezimale Zahlen werden in Java- bzw. C-Schreibweise dargestellt und beginnen mit der
Buchstabenkombination 0x, z.B: 0x1234, 0x011A oder 0xBEEF.
1

2.1 Gegeben seien folgende Maschinenbefehle:
OpcoMaschinen- Beschreibung
debefehl 0x01 MOV RA, Kopiert das Register RA in eine Hauptspeicherzelle. Die
[RB] Adresse der Hauptspeicherzelle ist im Register RB gespeichert.
0x02 MOV [RA], Kopiert den Wert einer Hauptspeicherzelle in das Regis-
RB
ter RB. Die Adresse der Hauptspeicherzelle ist im Register
RA gespeichert.
0x10 JE adr Bedingter Sprung nach adr.
Bedingung: das Zero Flag im Maschinenstatusregister ist
gesetzt.
0x11 JNE adr Bedingter Sprung nach adr.
Bedingung: das Zero Flag im Maschinenstatusregister ist
nicht gesetzt.
0x20 INC RB Inkrementiert RB um 1 (RB = RB + 1). Die Flags des
Maschinenstatusregisters werden entsprechend des
Ergebnisses gesetzt.
0x30 DEC RB Dekrementiert RB um 1 (RB = RB - 1). Die Flags des
Maschinenstatusregisters werden entsprechend des
Ergebnisses gesetzt.
0x40 ADD RA, RB Addiert die Register RA und RB und speichert das Ergebnis
in RB. Die Flags des Maschinenstatusregisters
werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt.
Wichtig: Die Bezeichnung "RA" (bzw. "RB") steht hier abkürzend für "das durch
das A-Registeradressfeld (bzw. B-Registeradressfeld) des Maschinenbefehlswortes
adressierte Register".
2.1 Welche oben angegebenen Befehle belegen
a) 16 Bit ________________________
b) 32 Bit ________________________
im Hauptspeicher? Bitte die jeweiligen Opcodes angeben!
2.2 Gegeben ist weiterhin folgendes Maschinenprogramm, as einen Speicherbereich
kopiert. Es wird angenommen, dass
• r0 die Anfangsadresse des Speicherbereichs enthält, der kopiert werden soll,
• r1 die Länge dieses Speicherbereichs (Anzahl der Speicherzellen) enthält, und
• r2 die Anfangsadresse des Speicherbereichs enthält, der überschrieben werden
soll.
start: INC r1
DEC r1
JE fertig
2

schleife: MOV [r0], r3
MOV r3, [r2]
INC r0
INC r2
DEC r1
JNE schleife:
fertig:
2.2.1 Was bewirken die ersten drei Zeilen des Programms?
________________________________________________________________
2.2.2 Mit welchen Werten müssen die Register belegt sein, damit das Programm korrekt
funktioniert bzw. wie dürfen die Register nicht vorbelegt werden?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
2.2.3 Wie viele Zugriffe auf den Hauptspeicher finden bei der Abarbeitung des Programms
insgesamt (in Abhängigkeit von der Anfangsbelegung von r1) statt?
________________________________________________________________
2.3 Tragen Sie in folgende Tabelle ein, wie das ursprüngliche Assemblerprogramm
aus Aufgabe 2.2. binär kodiert im Speicher abgelegt ist. Verwenden Sie dazu die
Informationen aus Aufgabe 2.1.
Sie können annehmen, dass das Programm ab Adresse 0x0200 im Speicher liegt.
Adresse Inhalt Assemblerprogramm
start: INC r1
DEC r1
JE fertig
schleife: MOV [r0], r3
3

Adresse Inhalt Assemblerprogramm
fertig:
MOV r3, [r2]
INC r0
INC r2
DEC r1
JNE schleife:
4

Zum besseren Arbeiten nochmals die Maschinenbefehle von 2.1:
OpcoMaschinendebefehl 0x01 MOV
[RB]
RA,
0x02 MOV [RA],
RB
Beschreibung
Kopiert das Register RA in eine Hauptspeicherzelle. Die
Adresse der Hauptspeicherzelle ist im Register RB ge-
speichert.
Kopiert den Wert einer Hauptspeicherzelle in das Register
RB. Die Adresse der Hauptspeicherzelle ist im Register
RA gespeichert.
0x10 JE adr Bedingter Sprung nach adr.
Bedingung: das Zero Flag im Maschinenstatusregister ist
gesetzt.
0x11 JNE adr Bedingter Sprung nach adr.
Bedingung: das Zero Flag im Maschinenstatusregister ist
nicht gesetzt.
0x20 INC RB Inkrementiert RB um 1 (RB = RB + 1). Die Flags des
Maschinenstatusregisters werden entsprechend des
Ergebnisses gesetzt.
0x30 DEC RB Dekrementiert RB um 1 (RB = RB - 1). Die Flags des
Maschinenstatusregisters werden entsprechend des
Ergebnisses gesetzt.
0x40 ADD RA, RB Addiert die Register RA und RB und speichert das Ergebnis
in RB. Die Flags des Maschinenstatusregisters
werden entsprechend des Ergebnisses gesetzt.
2.4 Es soll nun ein Mikroprogramm entwickelt werden, das den Befehl
MEMCPY RA, RB, r7
mit Opcode 0x0F implementiert. Dieser implementiert das Maschinenprogramm
aus Aufgabe 4.2. innerhalb eines einzigen Mikroprogramms. Vor Aufruf des Befehls
muss das Register r7 mit der Länge des Speicherbereichs initialisiert werden.
Die Anfangsadressen der Speicherbereiche werden in den Registern RA
(Quellbereich) und RB (Zielbereich) angegeben.
2.4.1 Wie viele Zugriffe auf den Hauptspeicher werden bei der Abarbeitung des Befehls
MEMCPY durchgeführt?
_______________________________________________________________
2.4.2 Implementieren Sie den Maschinenbefehl, indem Sie dazu die Tabellen auf den
Seiten 9 und 10 vervollständigen.
Hinweise: o Bitte streichen Sie falsche Lösungen deutlich durch!
o Bitte keine binären Werte eintragen, sondern die Abkürzungen aus
Anlage II verwenden.
5

Lösung Aufgabe 2.2
79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39
IE
I3
I2
I1
I0
KMUX
K15
K14
K13
K12
K11
K10
K9
K8
K7
K6
K5
K4
K3
K2
K1
K0
I2
I1
MEMCPY RA, RB, r7
6
I0
I5
Falls r7==0, Rücksprung nach IFETCH
0F0 X X
X
DIS
0F1 X X
X
DIS
Kopiere RA nach r14
0F2 X X
X
DIS
Kopiere [r14], r15
0F3 X X
X
DIS
0F4 X X
X
DIS
Kopiere r15 nach [RB]
0F5 X X
X
DIS
0F6 X X
X
DIS
I4
I3
inkrementiere r14 und RB; dekrementiere r7
0F7 X X
X
DIS
0F8 X X
X
DIS
0F9 X X
X
DIS
Falls r7 nicht 0, springe nach 0x0F3
DIS
I8
I7
I6
A3
A2
A1
A0
ASEL
B3
B2
B1
B0
BSEL
0FA X X X X X X X X X
Rücksprung zu IFETCH
0FB X X X X X X X X X
DIS
Interrupt Konstante Src Func
Dest RA Addr RB Addr

Fortsetzung Lösung Aufgabe 2.2
38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
ABUS*
DBUS*
I12
I11
I9
I8
I7
I6
CEMUE*
CEM*
I5
I4
I3
I2
I1
I0
CCEN*
I3
I2
I1
I0
D11
Y-
CIN Schiebe- Statusregister AM2910
MUX MUX steuerung Test Befehle
X
X
X X
X X
7
D10
D9
D8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
BZ_LD*
BZ_ED*
BZ_INC*
BZ_EA*
IR_LD*
MWE*
HHHHH
HHHHH
X CONT X
HHHHH
X X X CONT
X
HHHHH
X X X CONT X
HHHHH
X X X CONT
X
HHHHH
X X X CONT X
HHHHH
X X X CONT
X
HHHHH
X X X CONT X
HHHHH
X X CONT
X
HHHHH
P
X X X CJP
S
Direktdaten
IFETCH
HHHHH
HHHHH

Aufgabe 3 Rechnerunterstützter Schaltungsentwurf
Achtung: Die beiden Aufgaben 3.1 und 3.2 können unabhängig gelöst werden!
1) Für einen fiktiven Mikroprozessor wird eine Komponente benötigt, die bedingte
Sprünge ermöglicht.
Gegeben:
Die ALU des Prozessors erzeugt nach jeder Berechnung folgende Ausgangssignale:
- ZF (Zero): 1 wenn Ergebnis gleich 0, ansonsten 0
- SF (Sign): 1 wenn Ergebnis negativ, ansonsten 0
- CF (Carry): 1 wenn Übertrag aus der obersten Stelle=1, ansonsten 0
- OF (Overflow): 1 wenn ein Überlauf aufgetreten ist, ansonsten 0
Im Instruktionsword des bedingten Sprungs sind 3 Bit für die Bedingung (CC)
enthalten. Diese sind wie folgt definiert:
CC2 CC1 CC0 Kürzel Sprung wenn
0 0 0 E (equal) ZF = 1
0 0 1 NE (not equal) ZF = 0
0 1 0 L (less) SF = 0
0 1 1 LE (less or equal) ZF = 1 oder SF = 0
1 0 0 C (carry) CF = 1
1 0 1 NC (no carry) CF = 0
1 1 0 O (overflow) OF = 1
1 1 1 NO (no overflow) OF = 0
(Hinweis: Das Kürzel ist nur zur Vergleichbarkeit mit anderen rozessoren und
für die eigentliche Aufgabenstellung nicht relevant.)
Um festzulegen, wann überhaupt ein gültiger Bedingungscode CC an-liegt, ist
noch ein zusätzliches Signal CC_VALID vorhanden.
Es soll nun eine Schaltung "CHECK_CC" entwickelt werden, die anhand der
Flags und des Bedingungscodes ein Ausgangssignal CC_JUMP er-zeugt, das
nur dann 1 wird, wenn der Sprung ausgeführt werden soll und CC_VALID den
Wert 1 hat.
Ansonsten soll CC_JUMP den Wert 0 haben.
8

3.1.1 Beschreiben Sie die Anschlüsse dieser Schaltung als VHDL-Entity. Benutzen
Sie bitte nur die vorgegebenen Signalnamen.
Lösung:
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
3.1.2 Erstellen Sie die VHDL-Architecture von CHECK_CC mit Concurrent Statements.
Lösung:
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
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9

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______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
3.2 Im folgenden soll eine vereinfachte Ablaufsteuerung für einen Kaffeeautomaten
entwickelt werden. Der Automat kann je nach gewünschter Kaffeestärke zwei
verschiedene Mengen Kaffeepulver mahlen, brüht diesen Kaffee und gibt und
anschließend auf Wunsch aufgeschäumte Milch hinzu.
Alle Vorgänge im Automat werden aus einem gleichmäßigen Takt CLK mit der
Periode t gesteuert.
Der Automat besitzt folgende Eingabesignale:
START: Startet mit '1' den Zubereitungsvorgang
STRONG: '0' normale Kaffepulvermenge, mit '1' doppelte Pulvermenge
MILK: '1' zusätzlich Milchschaum
START wird nur kurzzeitig '1', die beiden anderen Signale sind danach
während des gesamten Vorgangs stabil.
Zur Steuerung der Aktoren gibt es folgende Ausgänge:
GRIND: '1' Kaffemühle läuft, '0' aus
BREW: '1' Heisses Wasser durch das Kaffepulver pumpen, '0' aus
10

STEAM: '1' Milch mit Wasserdampf aufschäumen, '0' aus.
Gefordertes Zeitverhalten:
Das Mahlen des Kaffeepulvers dauert je nach gewählter Stärke 1*t oder 2*t,
das Aufbrühen immer 2*t, der wählbare Milchschaum immer t.
3.2.1 Zeichnen Sie das Zustandsübergangsdiagramm des Kaffeeautomaten. Kennzeichnen
Sie alle Übergänge und alle von '0' abweichenden Ausgangssignale!
3.2.2 Erstellen Sie die VHDL-Entity dieses Automaten.
Lösung:
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______________________________________________________________
______________________________________________________________
11

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______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
3.2.3 Erstellen die VHDL Architecture dieses Automaten.
Lösung:
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______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
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12

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______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
13

______________________________________________________________
Aufgabe 4 Schaltungslogik
Gegeben ist die in Abbildung 4.1 dargestellte Schaltung mit den Eingängen E1, E2
und E3. Die Ausgänge sind F1, F2 und F3.
E1
E2
E3
Abbildung 4.1
>1 >1
&
&
&
&
4.1 Ermitteln Sie F3 als Funktion von E1, E2 und E3
Lösung:
&
1
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
14
>1 >1
4.2 Ermitteln Sie F1 als Funktion von E1, E2, E3, F2 und F3
Lösung:
&
&
F1
F2
F3

________________________________________________________________
___
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
4.3 Ergänzen Sie die zur Schaltung gehörende Wertetabelle. Sie können, soweit
möglich, hierfür Ihre Ergebnisse aus den beiden vorherigen Teilaufgaben ver-
E1 0 1 0 1 0 1 0 1
E2 0 0 1 1 0 0 1 1
E3 0 0 0 0 1 1 1 1
F1
F2
F3
wenden.
4.4 Ermitteln Sie für F1 die konjunktive Normalform
Lösung:
F1 = ______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
4.5 Ermitteln Sie für F2 die disjunktive Normalform
Lösung:
15

F2 =
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
4.6 E1, E2 und E3 zeigen Fehler in einem System an.
Hierbei gilt: Ei (iX1,2,3) = 1: Fehler liegt vor.
F1, F2 und F3 zeigen die Anzahl der Fehler an.
Tragen Sie die richtigen Werte (0 oder 1) in die Tabelle ein.
0 Fehler
1 Fehler
2 Fehler
3 Fehler
F1 F2 F3
4.7 Die Schaltung soll durch einen Ausgang F0 ergänzt werden. Erstellen Sie die
Funktionalität für die Größe F0 als Funktion von E1, E2 und E3. Hierzu darf nur
ein Gatter mit einer der Grundfunktionen UND, ODER, NAND oder NOR mit
drei Eingängen und einem Ausgang verwendet werden.
Lösung:
F0 = ______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
16

______________________________________________________________
17