Aula 4: Aumentando a Funcionalidade da Instrução

Como exemplo, vamos analisar a execução da seguinte operação: A = B + 8. Atualmente, as constantes e variáveis devem ser obtidas através das chaves e armazenadas no acumulador (registrador A) ou entrando diretamente na entrada B da ULA. Não temos uma instrução que tenha uma constante definida internamente ou mesmo uma instrução que faça acesso à uma memória externa - que poderia ser utilizada como rascunho.

Isso é devido ao formato da instrução que, atualmente, possui somente o opcode (código da operação a ser executada). Uma forma mais genérica seria uma instrução que tivesse um campo para o opcode e um, ou mais, campos para os operandos necessários.

Para resolver A = B + 8, considerando que as variáveis estão em uma memória externa (chamada M) e que a constante está embutida na instrução, poderíamos ter o seguinte código:

    LDI  8                          # Carrega Acumulador com 8
    SOMA  M[enderecoVariavelB]      # Soma Acumulador com Variável B
    STA M[enderecoVariavelA]        # Armazena resultado na posição de memória da Variável A

Onde: M = Memória externa; SOMA = soma acumulador com conteúdo da posição de memória; LDI = Load Imediato: operação de carga de uma constante (definida dentro do campo da instrução); STA = Store Acumulador: operação de armazenamento em posição de memória

A instrução LDI, que carrega o acumulador com uma constante, precisaria de uma organização do tipo:

No caso, o valor X é o número de bits necessário para codificar todas as instruções existentes no processador. O valor K é o número de bits necessário para representar a faixa de valores utilizados para constantes.

Porém, a instrução LDI precisa que o valor contido no campo imediato da instrução passe pela ULA e vá para o acumulador. Isso necessita de uma nova operação na ULA, em que a saída da ULA será o valor da entrada B da ULA. Para poder selecionar essa função na ULA, precisaremos de mais um bit no ponto de controle da operação.

A instrução STA, que salva o valor do acumulador em uma posição de memória, teria uma organização do tipo:

Novamente, o valor X é o número de bits necessário para codificar todas as instruções existentes no processador. Já o valor Y é o número de bits necessário para endereçar todas as posições de memória e periféricos que existem no computador.

A instrução LDA (carrega um valor de memória para o acumulador), que é simétrica à instrução STA, teria uma organização igual à da STA. Porém, a instrução LDA, de forma similar ao LDI, precisa que o valor contido na memória passe pela ULA e vá para o acumulador. Para tanto, pode usar a mesma operação da ULA utilizado na instrução LDI, em que a saída da ULA será o valor da entrada B da ULA.

A instrução SOMA (soma um valor de memória com o acumulador e armazena no acumulador), funciona de forma similar ao LDA.

No nosso processador, a instrução CLRA pode ser substituída por LDI 0, que carrega o acumulador com o valor zero.

Para que essa modificação funcione, precisamos adicionar, ao nosso processador, um barramento de endereços (para endereçar a memória) e um barramento de dados (para ler ou escrever na memória). O espaço de endereçamento do processador é a quantidade de posições endereçáveis pelos bits (2 elevado ao número de bits) que formam o barramento de endereços. Dessa forma, um barramento de endereços com 8 bits cria um espaço de endereçamento de 256 posições, enquanto um barramento de 16 bits cria um espaço de endereçamento de 65536 posições. Esses endereços podem ser para memória e/ou periféricos, mesmo assim, o espaço total é chamado de espaço de endereçamento de memória.

Isso nos permite transferir a entrada por chaves para uma posição de memória e a saída para os LEDs para outra posição de memória.

Vamos alterar o nosso computador para que ele tenha as seguintes características:

• Trabalhar com 8 bits e não mais 4 bits;

• opCode de 4 bits (16 instruções possíveis);

• Endereçamento de memória com 512 posições (9 bits de endereço), cada uma com 8 bits de dados:

  • Será necessário criar os sinais de leitura e escrita para a memória.

• Imediato de 8 bits (pode representar os inteiros de 0 a 255 ou inteiros com sinal de -128 a 127).

  • Para facilitar, ao usar o valor imediato, o bit 8 deve ser mantido com o valor zero.

Note que o endereço da memória e o valor imediato são utilizados por instruções diferentes. Isso permite que esses campos se sobreponham e seu significado será analisado conforme a instrução decodificada.

No FD acima, a memória está dividida em dois blocos de 256 bytes cada com a seleção feita através da linha de endereçamento A8.

Para adicionar essas funcionalidades, precisaremos definir novos opcodes para as novas instruções. Para tanto, utilizaremos a tabela abaixo:

As saídas que estão indicadas como X ou XX devem ser implementadas como 0 ou 00. Isso facilita o processo de debug do projeto.

Vamos aplicar esse novo formato de instruções ao nosso computador e adicionar/modificar as instruções como visto acima.

Lembre de utilizar a tabela com os pontos de controle, adicionando os novos pontos, para criar as instruções desejadas.

Será necessário alterar o decodificador de instruções para atender a esse novo formato.

Também devemos adicionar uma nova funcionalidada à ULA, chamada de passa: a transferência do valor presente na entrada B para a saída da ULA.

Por fim, vamos implementar o circuito do computador. Para simplificar, vamos utilizar uma versão somente com uma memória, mapeada entre os endereços 256 e 511, como visto na figura abaixo.

Programação da ROM

Para fazer o programa para resolver a equação S = 3x - 4, precisaremos iniciar as variáveis na memória do computador.

No programa abaixo, consideramos que a variável x vale 3 e está armazenada na posição 256 de memória.

A constante será armazenada na posição 257 de memória.

LDI $4         ; Acumulador = 4
STA @257       ; Armazena 4 na posição 257
LDI $3         ; Acumulador = 3
STA @256       ; Armazena 3 na posição 256
Soma @256      ; Soma acumulador com conteúdo de 256
...

O caractere arroba (@) indica um endereço da memória RAM enquanto que o caractere cifrão ($) indica um valor constante (imediato).

Agora, precisamos completar o programa e fazer os testes.

O resultado da compilação será o circuito, em RTL, mostrado no diagrama abaixo.

Para fazer a simulação, reagrupe os sinais de entrada e saída conforme o mostrado na figura abaixo.

Além disso, repare nos valores da entrada de dados, mostrados abaixo.

Considerando o valor de X como sendo 3, o resultado da simulação está mostrado abaixo.