Architecture des ordinateurs : examens - exercices - assembleur

Architecture des ordinateurs

1- Microprogrammation

Questions : écrire la séquence de signaux (micro-instructions) réalisant les instructions assembleurs suivantes :

1. SUB R0,R1 ;

2. INC RX0 (incrémente l’octet en mémoire se trouvant à l’adresse contenu dans la combinaison des 2 registres R0 — poids faible — et R1 — poids fort).

1.1 Présentation de l’architecture utilisée

Le microprocesseur de la Figure 1 est composé des éléments suivants :

• un bloc registres 8 bits : nommés de R0 à R7, il s’agit de registres généraux 8 bits. Pour manipuler ce bloc, nous disposons d’une commande de sélection SR0..2 (Select Register) permettant de sélectionner l’un des huit registres comme illustré Tableau 1. Ceci se traduit par l’activation d’un unique CS (Chip Selector) de l’un des huit registres. Le signal Rin provoque le chargement dans le registre sélectionné de l’information disponible sur le bus. Le signal Rout provoque la mise sur le bus de l’information contenue dans le registre sélectionné.

Tab. 1 – Sélection dans le bloc registres

• Un bloc ALU : il est constitué d’une unité arithmétique et logique possédant un certain nombre de commandes cmd0..N dont la taille est à spécifier. Un certain nombre de Flags (à spécifier) sont stockés dans un registre de flags appelé F. Les entrées de l’ALU sont les sorties de deux registres 8 bits X et Y . Ces registres peuvent charger l’information présente sur le bus de données par les signaux Xin et Yin. La sortie de l’ALU est relié au bus de données et est activées à l’aide du signal ALUout.

Notons que les registres X et Y sont des registres internes et que le programmeur n’a pas accès à ces registres.

Fig. 1 – Architecture utilisée

• Un bloc gestion des adresses : comprenant un bus interne d’adresse 16 bits, un registre AddressLatch 16 bits connecté au bus d’adresse externe, un registre PC (Programm Counter) 16 bits et un incrémenteur.

Les signaux associés au registre AddressLatch sont au nombre de trois : ALin qui permet de charger dans le registre l’information sur 16 bits présente sur le bus d’adresse interne, ALLin qui permet de charger dans la partie basse du registre l’information sur 8 bits présente sur le bus de données interne et ALHin qui permet de charger dans la partie haute du registre l’information sur 8 bits présente sur le bus de données interne.

Les signaux associés au registre PC sont au nombre de quatre et sont similaires à ceux pour AddressLatch : PCin qui permet de charger dans le registre l’information sur 16 bits présente sur le bus d’adresse interne, PCLin qui permet de charger dans la partie basse du registre l’information sur 8 bits présente sur le bus de données interne, PCHin qui permet de charger dans la partie haute du registre l’information sur 8 bits présente sur le bus de données interne et enfin le signal PCout qui met sur le bus d’adresse interne l’information contenue dans PC.

L’incrémenteur prend en entrée le contenu du registre AddressLatch et présente en sortie l’adresse suivante (incrémentation de 1). La sortie de l’incrémenteur est mise sur le bus d’adresse interne par le biais du signal AAout.

• un bloc de contrôle : constitué d’un registre d’instruction IR 8 bits et d’une unité de contrôle. L’unité de contrôle est chargée d’engendrer les signaux nécessaire au fonctionnement du microprocesseur en exécutant le cycle :

1. lire l’instruction ;

2. décoder l’instruction ;

3. exécuter l’instruction ;

4. préparer l’instruction suivante.

Dans le reste de l’exercice, on ignorera la phase 4. Le registre IR copie l’information positionnée sur le bus de données interne suivant le signal IRin.

• un bloc gestion de la mémoire : il comprend un registre de données DLatch (pour Data Latch) 8 bits qui copie la valeur du bus de données interne sur le signal DLin. Sur un signal Read, la mémoire met dans le registre DLatch la valeur de la case mémoire d’adresse AddressLatch. Sur un signal Write, la mémoire copie dans la case mémoire d’adresse AddressLatch l’information qui est dans DLatch. Lorsque la mémoire a terminé l’opération demandée (Read ou Write), elle positionne en retour le signal Ready.

2- Programmation assembleur

On dispose du jeu d’instructions assembleur décrit à la fin de l’exercice.

Le but de l’exercice est d’écrire un programme assembleur effectuant la division euclidienne en

utilisant ce jeu d’instructions (remarquez bien que ce dernier ne contient aucune instruction de division).

On impose que :

– les deux opérandes sont strictement positifs et inférieurs à 28 ;

– la mémoire contient le diviseur suivit du divisé à une adresse associée à l’étiquette inputs ;

– à la fin de l’exécution de votre programme, le registre :

– R0 contiendra le numérateur,

– R1 contiendra le dénominateur,

– R2 contiendra le reste,

– R3 contiendra le quotient, de la division euclidienne.

Vous êtes libre d’utiliser de l’espace mémoire à condition de le faire correctement (en lui associant une étiquette et en utilisant les instructions assembleur ad-hoc).

Méthode utilisée. Nous allons suivre l’algorithme suivant :

1. initialiser le quotient à 0

2. initialiser i à 8

3. décrémenter i

4. si i est nul alors faire l’étape 12

5. décaler les bits du reste et du quotient de 1 vers les poids fort

6. transférer le bit de poids fort du divisé dans le bit de poids faible du reste

7. décaler les bits du divisé de 1 vers les poids fort

8. si le reste est plus petit que le diviseur alors recommencer l’étape 3

9. soustraire le diviseur au reste

10. incrémenter le bit de poids faible du quotient

11. aller à l’étape 3

12. fin du calcul

Il s’agit de l’algorithme de division classique appliqué à des nombres binaires.

Question.

1. écrire un bout de code qui étant deux nombres stockés dans les registres R0 et R2, décale les

bits de R2 de 1 vers les poids forts, transfère le bit de poids fort de R0 dans le bit de poids faible de R2 et décale R0 de 1 bit vers les poids forts.

Indications : à quelle opération arithmétique correspond un tel décalage ? Comment repérer la non-nullité du bit de poids fort d’un registre avec une opération arithmétique et un saut ?

2. écrire le code complet de la division

Jeu d’instructions. On dispose de registres 8 bits généraux nommés de R0 à R7. On dénomme RX0 le registre 16 bits obtenu par la concaténation de R1 et R0 (R1 octet de poids fort, RX1 par R2 et R3, RX2 par R4 et R5 et RX3 par R6 et R7.

Notre microprocesseur dispose des instructions suivantes :

• ADD Rm, Rn — (pour ADD :-)) qui additionne la valeur du registre Rn avec la valeur du  egistre Rm et stocke le résultat dans le registre Rn ;
• AND Rm, Rn — qui fait la conjonction bit à bit des deux registres et range le résultat dans Rn ;
• DEC Rn — (pour DECrement) qui soustrait 1 à la valeur de Rn et stocke le résultat dans Rn ;
• INC Rn — (pour INCrement) qui ajoute 1 à la valeur de Rn et stocke le résultat dans Rn ;
• JC label — (pour Jump if Carry) qui effectue un saut à l’adresse 16 bits spécifiée par l’étiquette label si l’opération précédente a engendrée une retenue (ou si le résultat est négatif) ;
• JMP label — (pour JuMP) qui effectue un branchement à l’adresse (sur 16 bits) spécifiée par l’étiquette label ;
• JZ label — (pour Jump if Zero) qui effectue un saut à l’adresse 16 bits spécifiée par l’étiquette label si l’opération précédente a donné un résultat nul ;
• LD RXn, R0 — (pour LoaD) qui charge dans le registre R0 la valeur stockée en mémoire à l’adresse (sur 16 bits) contenue dans le registre RXn ;
• MV arg,Rn — (pour MoVe) qui charge dans le registre Rn la valeur de l’argument “arg”. L’argument est soit une valeur immédiate, soit un registre ;
• NOT Rn — qui inverse bit à bit le registre Rn et qui y stocke le résultat ;
• ST R0, RXn — (pour STore) qui stocke la valeur du registre R0 en mémoire à l’adresse (sur 16 bits) contenue dans le registre RXn ;
• SUB Rm, Rn — (pour SUBstract) qui soustrait la valeur du registre Rm à la valeur du registre Rn et stocke le résultat dans le registre Rn ;
• SWP Rn, Rm — (pour SWaP) qui permute les registres Rn et Rm.

3- Circuits logiques et séquentiels

3.1- Formes normales

On se donne la table de vérité suivante :

1. Donnez une forme normale associée à cette table.

2. Dessinez un circuit logique associé à cette table.

3.2 Circuit

On se propose de décrire une unité à 4 bits d’entrée et 4 + 2 bits de sortie pouvant réalisant 2 opérations f et g implantées par 2 circuits de même nom que l’on ne demande pas de décrire.

L’action de cette unité est controlée par une ligne de commande c qui permet d’indiquer ce que l’unité doit retourner (la sortie du circuit f ou celle du circuit g). En plus d’un résultat, cette unité produit en sortie 2 lignes correspondant à un drapeaux d1d0.

L’exercice consiste à compléter le schéma de l’annexe 1 qui n’indique que les entrées et les sorties de l’unité. On cherche donc à donner le circuit qui relie les entrées aux sorties (en utilisant des bascules et les circuits décrits dans l’annexe 1).

Notre unité fonctionne de la manière suivante :

• si la ligne c est à 0, l’unité produit le résultat de la fonction g. La ligne d0 (resp. d1) est mise à 1 (resp. 0) si le résultat de g est 0 et à 0 (resp. 1) sinon ;

• sinon l’unité produit le résultat de la fonction f et le drapeaux d1d0 conserve sa valeur précédente.

Question. Donnez le schéma de l’unité arithmétique décrite dans cet exercice (vous pouvez utiliser des portes logiques élémentaires, des bascules vues en cours et en travaux dirigés et un décodeur ; les fonctions f et g seront décrites par des boitiers).