Laboratorul 8 - Calculatorul Didactic: Instrucțiuni cu un operand

Obiectivul acestui laborator și al celor care urmează după el, îl reprezintă familiarizarea cu formatul instrucțiunilor calculatorului didactic și cu modul de funcționare al unității de comandă. În acest scop se vor implementa în Verilog interpretarea și comandarea execuției pentru instrucțiunile specificate în arhitectura calculatorului didactic studiat la curs.

În laboratorul curent vom implementa unitatea de comandă pentru instrucțiunile aritmetice și logice cu un singur operand.

Componentele calculatorului didactic implementate în laboratoarele precedente (registre, UAL) formează unitatea de execuție a procesorului. Pentru ca acestea să rețină date și să execute instrucțiunile procesorului, avem nevoie de o logică hardware de comandă a acestora, logică implementată în unitatea de comandă.

În interiorul unui procesor, instrucțiunile trec prin mai multe etape. Pentru calculatorul didactic avem următoarele faze:

• Fetch - aducerea instrucțiunii din memorie în registrul instrucțiune (RI)
• Decode - decodificarea instrucțiunii
• Load - încărcarea operanzilor
• Execute - executarea instrucțiunii
• Store - scrierea rezultatului (dacă este cazul)

Unitatea de comandă este implicată în toate etapele de mai sus: comandă prin semnalare aducerea codurilor instrucțiunilor din memorie, le decodifică și transmite semnale către unitățile (registre, ual, memorie) implicate în execuția acelor instrucțiuni. La terminarea execuției fiecărei instrucțiuni se comandă scrierea rezultatului (dacă este cazul) și se actualizează registrul CP (Contor Program) cu adresa instrucțiunii următoare.

Unitatea de comandă este implementată ca un automat de stări. Modulul acesteia are următoarele semnale:

• intrări: clk, rst, ri (codul instrucțiunii), ind (indicatorii de condiție)
• ieșiri:
  • semnale oe (output-enable) și we (write-enable) pentru registre, bancul de registre, memorie și unitatea aritmetică logică (doar oe)
  • alu_opcode - codul operației ce trebuie efectuată de unitatea aritmetică logică
  • alu_carry - carry-ul folosit de UAL în cadrul operației ce trebuie să o execute
  • regs_addr - indexul unui registru din bancul de registre
  • ind_sel - controlează sursa de scriere în registrul IND (0 = bus, 1 = alu flags)

Automatul trebuie să ofere stări pentru:

• aducerea instrucțiunii din memorie în registrul RI
• decodificarea codului instrucțiunii pentru identificarea operației ce trebuie efectuate și a operanzilor acesteia (dacă este cazul)
• interpretarea fiecărei instrucțiuni. Aceasta se traduce printr-o serie de stări care setează semnalele de output ale modulului pentru a comanda execuția instrucțiunii.
• incrementarea registrului CP

Instrucțiuni aritmetice-logice cu un operand

Pentru orice procesor, fiecare instrucțiune definită în arhitectura setului său de instrucțiuni, are un anumit cod unic după care este identificată. Atunci când se stochează o instrucțiune care lucrează cu cel puțin un operand, nu este suficient să avem doar codul său (care indică ce acțiune trebuie efectuată), ci trebuie să avem și niște biți care să ne indice de unde luăm operanzii, așa cum este ilustrat și în imaginea de mai jos.

Formatul instrucțiunilor calculatorului didactic

• COP - codul operației, 7 biți
  • bitul [0] - separă instrucțiunile care folosesc o adresă efectivă de cele care nu folosesc:
    • 0 - instrucțiuni cu calcul de adresă efectivă
    • 1 - instrucțiuni fără calcul de adresă efectivă (salturi condiționate, RET etc.)
  • bitul [1] - separă instrucțiunile care au 1 operand de cele cu 2 operanzi:
    • 0 - un operand
    • 1 - doi operanzi
  • bitul [2] - separă instrucțiunile cu operand imediat de cele fără operand imediat:
    • 0 - fără operand imediat
    • 1 - cu operand imediat
  • bitul [3] - separă instrucțiunile de transfer de date/control de celelalte:
    • 0 - transfer de date/control (MOV, PUSH, CALL etc.) sau care nu salvează rezultatul (CMP, TEST)
    • 1 - instrucțiuni aritmetico-logice cu salvarea rezultatului, salturi condiționate
  • biții [4][5][6] - cod operație
• d - pentru instrucțiunile cu doi operanzi, folosit pentru a ști care e primul și care e al doilea dintre cele două câmpuri REG și RM din codul instrucțiunii:
  • 0 - RM = RM op REG
  • 1 - REG = REG op RM
• MOD - modul de calcul al adresei efective (4 moduri - 2 biți)
• REG - indexul registrului care conține unul dintre operanzi
• RM - indexul registrului care conține unul dintre operanzi

Se poate observa că în cadrul unora din grupurile de operații au rămas codificări nefolosite pe biții 4:6. Dacă se extinde setul de instrucțiuni cu noi operații (vedeți în curs ), atunci codul acestora poate fi unul din cele nefolosite (atâta timp cât se încadrează în acel grup).

Modificați modulul uc.v din scheletul de cod al laboratorului, astfel încât să implementați instrucțiunile din tabelul prezentat anterior. Citiți secțiunea de implementare.

1. (4p) Decodificați instrucțiunea INC RA.
   1. Identificați grupul de instrucțiuni în care se încadrează operația (inc) și operandul (RA).
   2. Transferați conținutul registrului RA în registrul T1
   3. Indicați UAL-ului să execute operația și puneți rezultatul în T1
      • registrul IND trebuie conectat la UAL ca să poată fi setate flagurile în urma execuției operației
   4. Transferați conținutul registrului T1 în registrul RA
2. (1p) Generalizați instrucțiunea implementată la exercițiul anterior astfel încât să funcționeze cu orice registru general.
3. (5p) Decodificați restul instrucțiunilor.

Testați întâi corectitudinea implementării folosind testerul offline. Apoi testați pe placă. Ram-ul are încărcate instrucțiunile din tests→one_operand→test.asm.

Fișierul calc_didatic→ram.coe conține instrucțiunile programului din fișierul de test reprezentate în sistem hexazecimal. Adresa fiecărei instrucțiuni este dată de indicele instrucțiunii respective în vectorul de inițializare al memoriei.

Pentru a schimba programul rulat pe placă este suficient să modificați fișierul calc_didatic→ram.coe, urmând ca apoi să dați yes la regenerate core.

Pentru a schimba programul rulat de către tester modificați fișierul tests→one_operand→test.coe.

Interacțiunea cu butoanele de pe placă pentru afișajul pe display-ul LCD:

• se poate controla secțiunea afișată pe LCD cu BTN_WEST si BTN_EAST, iar în cadrul secțiunii puteți face scroll cu butonul rotativ;
• clk manual pe BTN_SOUTH, acesta este activat cand toate switch-urile sunt în jos;
• resetul sincron pe BTN_NORTH;
• switch-urile controlează factorul de divizare pentru generatorul de ceas de pe placă. Toate switch-urile în sus corespund factorului cel mai mare

• Schelet de cod
• PDF laborator
• Cheat-sheet calculator didactic
• Arhitectura calculatorului didactic
• Soluție laborator