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マイクロプロセッサ （第 1 回）

マイクロプロセッサ （第 1 回）. 担当： 佐竹 純二. はじめに. 情報・知能工学系 学生実験サイト http://www.cs.tut.ac.jp/jikken/ 実験の説明資料などは Web 上で公開中 http://www.aisl.cs.tut.ac.jp/~satake/class/ 実験レポートの受け取りは Moodle 上で行う https://moodle.imc.tut.ac.jp/course/view.php?id=285 登録キーは　 satake2013 ※ 実験レポートは PDF ファイルで提出すること. 日程 (p.27 参照 ).

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マイクロプロセッサ （第 1 回）

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Presentation Transcript

  1. マイクロプロセッサ（第1回） 担当：佐竹 純二

  2. はじめに • 情報・知能工学系 学生実験サイト http://www.cs.tut.ac.jp/jikken/ • 実験の説明資料などはWeb上で公開中 http://www.aisl.cs.tut.ac.jp/~satake/class/ • 実験レポートの受け取りはMoodle上で行う https://moodle.imc.tut.ac.jp/course/view.php?id=285 登録キーは　satake2013 ※実験レポートはPDFファイルで提出すること

  3. 日程 (p.27参照) 第１回 イントロダクション (課題3.1 加算) 第２回 基本プログラミング (課題3.2 乗算) 第４回 応用プログラミング (課題3.4(2) メロディ) 第３回 応用プログラミング (課題3.3 図形描画， 課題3.4(1) メロディ) ※第2回以降は予習(プログラムの準備)が必須

  4. コンピュータの利用 ユーザ 入力 どのような仕組みで動いているのか? 出力 コンピュータ

  5. コンピュータ・ハードウェア 記憶装置 入力装置 処理装置 出力装置

  6. コンピュータ・ソフトウェア 記憶装置 入力装置 アプリケーションプログラム システムプログラム 処理装置 出力装置

  7. 疑問 • 処理装置 (CPU) はプログラム(≒ソフトウェア)をどのように解釈しているのか? 高級言語による プログラム 機械語による プログラム

  8. (今のところの) 回答 • コンパイラ，アセンブラと呼ばれるプログラムを変換するプログラムを使う コンパイラ アセンブラ 高級言語による プログラム 機械語による プログラム アセンブリ言語に よるプログラム

  9. コンパイラ アセンブラ 高級言語による プログラム 機械語による プログラム アセンブリ言語に よるプログラム ことばの整理：機械語 • CPUが直接理解し実行できる言語のこと • プログラムは0と1の列から構成される • CPUごとに異なる

  10. コンパイラ アセンブラ 高級言語による プログラム 機械語による プログラム アセンブリ言語に よるプログラム ことばの整理：高級言語 • 人間が使いやすいプログラミング言語 • C，C++，Java，Perlなど • CPUごとに異ならない(共通)

  11. コンパイラ アセンブラ 高級言語による プログラム 機械語による プログラム アセンブリ言語に よるプログラム ことばの整理：アセンブリ言語 • 機械語を人間にわかりやすくした言語 • 命令が機械語と (ほぼ) 1 対 1 に対応 • CPUごとに異なる

  12. コンパイラ アセンブラ 高級言語による プログラム 機械語による プログラム アセンブリ言語に よるプログラム ことばの整理：コンパイル • 高級言語によるプログラムをアセンブリ言語によるプログラムに(または機械語によるプログラムに)翻訳すること

  13. コンパイラ アセンブラ 高級言語による プログラム 機械語による プログラム アセンブリ言語に よるプログラム ことばの整理：アセンブル • アセンブリ言語によるプログラムを機械語によるプログラムに 　翻訳すること

  14. この実験の流れ 1. アセンブリ言語によるプログラミング 2.作成したプログラムのアセンブル(手作業) 3.実行(動作の理解) アセンブラ 機械語による プログラム アセンブリ言語に よるプログラム

  15. 13h ←16進数であることを示す 　他にも13H，0x13など この実験で用いるハードウェア • KUE-CHIP2 • 教育用の8ビットマイクロプロセッサ ≒ CPU 8ビット＝1バイト

  16. KUE-CHIP2の構造 (p.16 図1)

  17. KUE-CHIP2の各部：バス • 入力バス：入力部分とCPU内部を結ぶ • 出力バス：出力部分とCPU内部を結ぶ

  18. KUE-CHIP2の各部：ALU • 演算ユニット(Arithmetic and Logic Unit) • 算術演算，論理演算，アドレスの計算を行う

  19. KUE-CHIP2の各部：ACC • アキュムレータ (accumulator) • 演算に利用するレジスタ．8ビット • 演算対象，演算結果を保持

  20. KUE-CHIP2の各部：IX • インデックスレジスタ (index register) • 演算に利用するレジスタ．8ビット • 演算対象，演算結果を保持 • 修飾アドレス指定のときのアドレス修飾にも使用

  21. KUE-CHIP2の各部：FLAG • フラグレジスタ (flag register) • 演算・シフト結果により変化．4ビット 桁上がりフラグ 桁あふれフラグ 負フラグ ゼロフラグ p.16 図2

  22. KUE-CHIP2の各部：PC • プログラムカウンタ (program counter) • 次に実行する命令のメモリ上でのアドレスを保持．8ビット

  23. KUE-CHIP2の各部：MAR • メモリアドレスレジスタ • メモリ操作の対象とするアドレスを保持． 8ビット

  24. KUE-CHIP2の各部：内部メモリ • 512バイト．バイト単位の番地指定 • プログラム領域：0～255番地 • データ領域：256番地～511番地 511 1FF データ 領域 ～ 256 100 255 0FF プログラム 領域 ～ 01100010 0 000 p.17 図3

  25. KUE-CHIP2のアセンブリ言語 • 命令の種類：p.18 表1を参照 • 言語仕様： p.29～32 付録A を参照 • 機械語フォーマット：1バイトか2バイト p.17 図4を参照

  26. 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 プログラム例 (p.25，リスト2) アドレス データ 命令 オペランド 00: 0110 001- 0000 0001 LD ACC, 01h 02: 0001 0--- OUT 03: 0100 0111 RLL ACC 04: 0011 0000 0000 0010 BA 02h 「01」という値をACCに格納する ACCの内容を出力バッファ(OBUF)に出力する ACCの内容を論理左回転し，ACCに入れる 常に02番地へ戻る 機械語による プログラム アセンブリ言語による プログラム アセンブラ

  27. アセンブル方法 (1/4) • p.31，A.2 命令セットを参照 • 「LD ACC,01h」のアセンブル 0 1 1 0 0 0 1 - 0 0 0 0 0 0 0 1 A B

  28. アセンブル方法 (2/4) • p.31，A.2 命令セットを参照 • 「OUT」のアセンブル 0 0 0 1 0 - - -

  29. アセンブル方法 (3/4) • p.31，A.2 命令セットを参照 • 「RLL ACC」のアセンブル 0 1 0 0 0 1 1 1 A s m

  30. アセンブル方法 (4/4) • p.31，A.2 命令セットを参照 • 「BA 02h」のアセンブル 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 c c

  31. アドレス データ 命令 オペランド 00: 0110 001- 0000 0001 LD ACC, 01h 02: 0001 0--- OUT 03: 0100 0111 RLL ACC 04: 0011 0000 0000 0010 BA 02h プログラム例 (p.25，リスト2) 「-」は0か1で置き換える (どちらでもよい)

  32. アドレス データ 命令 オペランド 00: 0110 0010 0000 0001 LD ACC, 01h 02: 0001 0000 OUT 03: 0100 0111 RLL ACC 04: 0011 0000 0000 0010 BA 02h 00: 01: 02: 03: 04: 05: プログラム例 (p.25，リスト3) アセンブル完了

  33. プログラムの実行 • 第2.5節に沿って行う (p.23～27) • 注意点： 電源器とボードを接続してからコンセントに繋ぐこと コンセントは机に固定されたものに繋ぐこと(転落防止) 電源スイッチ横のコンデンサに指をかけないことプログラムの実行前にRESETを押すこと • 全員確認できたら次の説明へ (次回からグループではなく一人1台で行う)

  34. 操作方法の補足 • SSスイッチで実行 • さらにSSスイッチを押すと停止，再開 • CLKFRQのダイヤルを回すと実行速度が変化 • RESET • SELスイッチを操作してACCを表示 • SIスイッチでステップ実行 (1命令ずつ) • SELスイッチを操作してPCを表示 • SIスイッチでステップ実行 (1命令ずつ)

  35. 命令はどのように実行されるか? • クロックに沿って実行　 • クロック1周期分 → 1つの実行フェーズ • KUE-CHIP2の各命令は3から5フェーズ • P0，P1：各命令で共通 • P2以降：各命令で異なる p.19 表2を参照

  36. 実際に見てみる：リスト1 (p.20) アセンブル結果の16進表示 プログラムの実行を停止する メモリ80番地の内容を03とし， メモリ81番地の内容をFDとする メモリのプログラム領域D2番地の 内容とACCの内容を加算する メモリのプログラム領域D1番地の 内容をACCに格納する メモリのプログラム領域ANS番地にACCの内容を格納する 「D1」を見たら「80h」だと思う (変数宣言，初期化のようなもの)

  37. 実行のトレース LD ACC,[D1] p.19 表2を参照 A B Bの部分

  38. 実行のトレース LD ACC,[D1] 00 00 000: 64 001: 80 002: B4 ... 080: 03 081: FD 00 00 00 00

  39. 実行のトレース LD ACC,[D1] P0: (PC)→MAR, PC++ 00 00 01 000: 64 001: 80 002: B4 ... 080: 03 081: FD 00 00 00 00

  40. 実行のトレース LD ACC,[D1] P1: (Mem)→IR 01 64 00 000: 64 001: 80 002: B4 ... 080: 03 081: FD 00 00 00 00

  41. 実行のトレース LD ACC,[D1] P2: (PC)→MAR, PC++ 01 64 02 000: 64 001: 80 002: B4 ... 080: 03 081: FD 00 00 00 00 01

  42. 実行のトレース LD ACC,[D1] P3: (Mem)→MAR 64 02 000: 64 001: 80 002: B4 ... 080: 03 081: FD 00 00 00 01 80

  43. 実行のトレース LD ACC,[D1] P4: (Mem)→A 64 02 000: 64 001: 80 002: B4 ... 080: 03 081: FD 00 00 00 03 80

  44. フラグレジスタの働き • 桁上がりフラグ (Carry Flag, CF) • 演算結果に桁上がりが生じると 1 • 桁あふれフラグ (Overflow Flag, VF) • 演算結果に桁あふれが生じると 1 • 負フラグ (Negative Flag, NF) • 演算結果が負になると 1 • ゼロフラグ (Zero Flag, ZF) • 演算結果がゼロになると 1 p.16 図2も参照

  45. 実験課題3.1(p.27) • (1)について • 実行開始から実行終了まで，観測可能なレジスタ，バスをトレース • (2)～(6)について • ADD開始前からADD終了後まで，フラグレジスタのみをトレース • ADD命令をADC命令に変更して，ADC開始前からADC終了後まで，フラグレジスタのみをトレース それぞれの加算結果も確認・記録すること

  46. 実験課題3.1　注意 • リスト1を利用 • 16進数「64」，2進数では？ • 80番地に値を入れるには，まずMARを操作 • 毎回，まず計算結果を確認(記録)すること • 「6」と「b」の読み間違いに注意 • 負の数は「2の補数表現」 3 -3 ＋

  47. 検討事項のポイント (1)について • 各命令の各フェーズでの動作についてテキスト p.18～22 を参考に図などを使いながら文章で説明すること レポート作成補助：図や資料のデータを配布中 http://www.aisl.cs.tut.ac.jp/~satake/class/ (2)～(6)について • 各フラグがどのような時に変化するのか， ADD命令とADC命令の違いもまとめること

  48. 次回 • 実験課題3.2　乗算プログラムの作成 • 符号なし2バイト精度の2数の積 • データを格納する番地はテキスト通りでなくても良い • 演算結果は2バイトに収まると仮定 • 必須の予習： プログラムの作成とアセンブル 80h 81h 82h 83h × 84h 85h

  49. 補足：符号無し２バイトの乗算 MSB：最上位ビット ↓ LSB：最下位ビット ↓ × 1バイト ＝ 8ビット メモリ上での順序に注意

  50. 補足：アドレスモード • オペランド(引数)の表現方法のこと • KUE-CHIP2のアドレスモード (p.29～31参照) • ACC,IX：ACC,IXの内容がデータ • 即値：オペランドそのものがデータ • 直接：オペランドがメモリのアドレス　　　そのアドレス上の内容がデータ • 修飾：「オペランド＋IXの内容」が　　　メモリのアドレス　　　そのアドレス上の内容がデータ

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