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UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU
M++
Implementação de um microprocessador simples
utilizando simulador de circuitos digitais
(Digital Works)
JONATHAN MANOEL BORGES
Blumenau, 20 de janeiro de 2006.
Visão Externa da M++
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4 portas de entrada (I0 e I3);
4 portas de saída (O0 a O3);
Entrada de sinais de Clock e Reset;
Indicativo que execução de uma instrução terminou (Fim Inst);
Controle da Memória de Dados e Pilha (RAMcs, RAMwr, RAMrd);
Controle da Memória do Programa (ROMrd, ROMcs);
Barramento de endereço da Memória de Dados e Pilha (256 - 8bit);
Barramento de endereço da Memória de Programa (64k - 16bit);
Barramento de Dados
Observações
 Embora o barramento de endereço da memória de programa seja de 16
bits, o Digital Works possui no máximo, memórias de 14 bits. Ou seja, os
dois últimos bits nunca serão utilizados neste simulador;
 Note que o barramento de dados possui 16 saídas. Na verdade o
barramento de dados é de 8 bits, porém o Digital Works não permite que
um mesmo pino de um circuito seja utilizado tanto para entrada como
para saída. Desta forma, 8 dos 16 bits são para entrada e os 8 restante
para saída. Deve-se ligar os pinos no barramento de dados das
memórias de programa e dados e pilha;
Visão Interna da M++
Barramento de Dados
O barramento de dados é compartilhado por todos os componentes da M++.
Todos os componentes que utilizam o barramento utilizam a porta TriState para
utilizar o barramento. Somente um componente de cada vez pode utilizar o
componente.
Barramento de Endereços
Possui dois barramentos de endereço: barramento para a memória de dados e
pilha, e para a memória de programa.
O barramento da memória de dados e pilha possui dois componentes
auxiliares. O registrado DIR, alterado pelo programa do usuário, e o registrado
SP. Este último é utilizado para o controle de pilha. Enquanto o DIR pode
receber qualquer valor, o SP apenas incrementa ou decrementa o seu valor.
Acumulador
É utilizado em todas as operações lógicas e aritméticas.
Possui conexão direta (sem TriState) com a ULA.
Sinal Car carrega o valor do barramento de dados no acumulador.
Sinal Enable coloca o valor do acumulador no barramento de dados.
Buffer para operação com a ULA
Utilizado exclusivamente para operações com a ULA.
ULA
Realiza as operações lógicas e aritméticas entre dois operandos (A e B,
respectivamente Acumulador e Buffer).
Sinais de controle S0, S1 e S2 selecionam a operação a ser realizada
conforme a lista a sequir:
000 - ADD
001 - SUB
010 - AND
011 - OR
100 - XOR
101 - NOT
110 - BYPASS
111 – INC
Os flags FC (indica estouro na operação) e FZ (indica que o resultado da
operação é zero) são atualizados assim que o sinal de controle Enable da ULA
é ativado, o qual coloca o valor do resultado da operação no barramento de
dados.
Banco de Registradores
Possui 4 registradores de propósito geral, além do acumulador.
Os sinais S0 e S1 selecionam o registrador.
Sinal Reset zera todos os registradores.
Sinal Enable e joga o valor do registrador selecionado no barramento de dados.
Sinal Car carrega o valor do barramento de dados no registrador selecionado.
Banco de portas de entrada
Possui 4 portas de entrada e 4 portas de saída.
Sinais S0 e S1 selecionam a porta.
Sinal Enable coloca o valor da porta de entrada selecionada no barramento de
dados.
Sinal Car grava o valor do barramento de dados na porta de saída selecionada.
Módulo de Controle
RI – registrado de instrução
Registrador de 8 bits que armazena a instrução a ser executada.
Divisão das funções de cada um dos bits do registrador
Os primeiros 3 bits mais significativos são para escolher a operação a ser
realizada pela ULA (veja o tópico ULA acima para ver as operações da ULA);
Os dois bits seguintes são utilizados para selecionar o Registrador ou a Porta
do banco de portas de entrada e saída.
Os 3 bits menos significativos são para selecionar o tipo de operação. Estes
são decodificados e resultam na posição da memória de controle
microprogramada que inicias as micro-instruções do tipo de operação
desejado. (veja os tipos de operações adiante).
IC - contador de microinstrução
Este registrador indica a posição da memória de controle microprogramada que
deve ser acionada para gerar os sinais de controle.
A cada sinal de clock, o IC é incrementado.
No início da execução de uma instrução, após a decodificação da instrução, o
IC recebe o valor da posição do início da instrução na memória
microprogramada .
Memória de decodificação de Instrução
Nesta são armazenados a posição do início da instrução (primeira microinstrução) de todas as instruções da M+.
Memória de controle microprogramada
Nesta são armazenados os sinais de controle para a execução das instruções.
Sinais de Controle
+--------------------------+
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01 - ICres
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02 - ICresC
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03 - ICresZ
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04 - RIcar
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05 - SelRI
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06 - Higth Decoder
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07 - ROMrd
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08 - ROMcs
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09 - PCHbus
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10 - PHLbus
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11 - PCHcar
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12 - PCLcar
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13 - SeldataPC
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14 - DIRcar
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15 - SPcar
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16 - SPinc/dec
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17 - SelSP
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18 - ULAbus
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19 - BUFcar
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20 - ACbus
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21 - ACcar
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22 - REGbus
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23 - REGcar
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24 - RAMrd
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25 - RAMwr
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26 - RAMcs
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27 - INbus
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28 - OUTcar
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+--------------------------+
- internos do módulo de
controle
- externos do módulo de
controle
- registradores especiais de
endereçamento de memória ram
- ula
- acumulador
- registradores
- memória de dados (RAM)
- entrada/saída de dados
Utilize o software CompMemoM++.exe para gerar os sinais de controle
para as memórias de controle e para memória de decoficiação de
instrução.
Programa contento os sinais de controle da M++
// BUSCA DE INSTRUÇÃO
Vazio;
ROMrd, ROMcs;
RIcar, SelRI, PCHcar, PCLcar;
- AC * AC -> AC
ACbus;
BUFcar;
ULAbus;
ACcar;
ICres;
- AC * AC -> REG
ACbus;
BUFcar;
ULAbus;
REGcar;
ICres;
- AC * AC -> RAM
ROMrd, ROMcs;
DIRcar, PCHcar, PCLcar;
ACbus;
BUFcar;
ULAbus;
RAMwr, RAMcs;
ICres;
- AC * AC -> OUT
ACbus;
BUFcar;
ULAbus;
OUTcar;
ICres;
- AC * REG -> AC
REGbus;
BUFcar;
ULAbus;
ACcar;
ICres;
- AC * RAM -> AC
ROMrd, ROMcs;
DIRcar, PCHcar, PCLcar;
RAMrd, RAMcs;
BUFcar;
ULAbus;
ACcar;
ICres;
- AC * IN -> AC
INbus;
BUFcar;
ULAbus;
ACcar;
ICres;
- Higth Decoder
ROMrd, ROMcs;
RIcar, SelRI, PCHcar, PCLcar, HigthDecoder;
- AC * ROM -> AC
ROMrd, ROMcs;
BUFcar, PCHcar, PCLcar;
ULAbus;
ACcar;
ICres;
- AC * ROM -> REG
ROMrd, ROMcs;
BUFcar, PCHcar, PCLcar;
ULAbus;
REGcar;
ICres;
- AC * ROM -> RAM
ROMrd, ROMcs;
BUFcar, PCHcar, PCLcar;
ROMrd, ROMcs;
DIRcar, PCHcar, PCLcar;
ULAbus;
RAMwr, RAMcs;
ICres;
- JMP
ROMrd, ROMcs, SPcar,
pilha
SelSP, RAMwr, RAMcs,
ROMrd, ROMcs, SPcar,
SelSP, RAMwr, RAMcs;
SelSP, RAMrd, RAMcs,
// retira da pilha
PCLcar, SPcar;
SelSP, RAMrd, RAMcs,
PCHcar, SPcar;
ICres;
- JMPC
SPincdec;
PCHcar, PCLcar;
SPincdec;
SeldataPC;
SeldataPC;
// poe na
ICresC;
ROMrd, ROMcs, SPcar,
pilha
SelSP, RAMwr, RAMcs,
ROMrd, ROMcs, SPcar,
SelSP, RAMwr, RAMcs;
SelSP, RAMrd, RAMcs,
// retira da pilha
PCLcar, SPcar;
SelSP, RAMrd, RAMcs,
PCHcar, SPcar;
ICres;
- JMPZ
ICresZ;
ROMrd, ROMcs, SPcar,
pilha
SelSP, RAMwr, RAMcs,
ROMrd, ROMcs, SPcar,
SelSP, RAMwr, RAMcs;
SelSP, RAMrd, RAMcs,
// retira da pilha
PCLcar, SPcar;
SelSP, RAMrd, RAMcs,
PCHcar, SPcar;
ICres;
SPincdec;
// poe na
PCHcar, PCLcar;
SPincdec;
SeldataPC;
SeldataPC;
SPincdec;
// poe na
PCHcar, PCLcar;
SPincdec;
SeldataPC;
SeldataPC;
- CALL
PCHbus, SPcar, SPincdec;
// guarda
endereço atual na pilha
SelSP, RAMwr, RAMcs;
PCLbus, SPcar, SPincdec;
SelSP, RAMwr, RAMcs;
ROMrd, ROMcs, SPcar, SPincdec;
// poe na pilha
SelSP, RAMwr, RAMcs, PCHcar, PCLcar;
ROMrd, ROMcs, SPcar, SPincdec;
SelSP, RAMwr, RAMcs;
SelSP, RAMrd, RAMcs, SeldataPC;
// retira da pilha
PCLcar, SPcar;
SelSP, RAMrd, RAMcs, SeldataPC;
PCHcar, SPcar;
ICres;
- RET
SelSP, RAMrd, RAMcs, SeldataPC;
// retira da pilha
PCLcar, SPcar;
SelSP, RAMrd, RAMcs, SeldataPC;
PCHcar, SPcar;
ICres;
Instruções da M++
Utilize o software AssemblerM++.exe para fazer seus programas na M++.
Após compilar e gerar o arquivo objeto, carregue-o na memória de
programa.
ADD <tipo>
SUB <tipo>
AND <tipo>
OR <tipo>
XOR <tipo>
NOT <tipo>
MOV <tipo>
INC <tipo>
JMP <rend>
JMPC <rend>
JMPZ <rend>
CALL <rend>
RET;
<rend> = Endereço 16bits (de #0000 a #FFFF) ou label
Exemplo label:
inicio: ADD A, A;
JMP inicio;
<tipo> = A , A
A , registrador (B,C,D,E)
A , RAM (RAM = Endereço de 8bits #00 a #FF)
A, OUT (OUT = OUT0 até OUT3)
IN , A
registrado , A
RAM , A (RAM = endereço de 8 bits)
IN , A
ROM , A
ROM, registrador
ROM ,RAM
Observação
No <tipo>, o primeiro campo (antes da vírgula) indica o operando que será
calculado com o acumulador;
O segundo campo (após a vírgula) indica onde será gravado o resultado da
operação.
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