Mikroişlemci ve Yapısı. Mikroişlemciler ve Mikrobilgisayarlar

Transkript

1 Mikroişlemci ve Yapısı 1

2 Katmanlı Sistem Yapısı (Machine Levels) Bu kısmın altındaki katmanlara programcı ve kullanıcının erişmesi söz konusu değildir. 2

3 Assembler Kaynak Kod Assembler Linker ADD D0,D1 Kaynak kodu, makina koduna dönüştürür. Birkaç farklı modülü bir araya getirir. Binary Kod Sık kullanılan fonksiyonlar, rutinler Kütüphane 3

4 Bellek-İşlemci-Program İlişkisi Örn: Dairenin alanını hesaplayan program A = π r 2 4

5 Bellek Adres (Des.) 8 bit Adres (hex) Program Sayıcısı Yürülükteki Komut Bir Sonraki Komut 0000H 0001H 0002H 0003H 16 bit adres hattına sahip bir sistemin bellek yapısı Veri FFFBH FFFCH FFFDH FFFEH FFFFH 5

6 Saklayıcı Transfer Dili (RTL-Register Transfer Language) Bu dil, bilginin bellek ve mikroişlemcinin dahili saklayıcıları üzerinde nasıl erişildiğini ve işlem gördüğünü anlatmak amacıyla kullanılan bir gösterim şeklidir. [X] ;X iniçeriği ; Veri transferini belirtir. Sol kısım hedef, Sağ kısım kaynak [MAR] [PC] ; PC nin içeriği MAR saklayıcısının içerisine aktarılır. [3] [5] ; 5. konumun içeriği 3. konuma aktarılır. ( x=y; gibi) [PC] [PC]+1 ; Program sayıcısının içeriğini 1 arttır. [M(x)] ; Belleğin x konumunun içeriği [M(20)] [PC] ; Belleğin x konumunun içeriği PC nin içeriği ile yüklenir. 6

7 RTL [AX] 1026 ; Desimal 1026 AX e aktarılır. [AX] % ; % binary i ifade eder. [AX] $ 402 ; $ Hexadesimal i ifade eder. [M(20)] = 6 ; Belleğin 20 konumunun içeriği 6 ya eşit. [M(20)] 6 ; Belleğin 20 konumunun içerisine desimal 6 yerleştirilir. [M(20)] [M(6)] ; Belleğin 20 konumunun içerisine 6 nolu bellek konumunun içeriği yerleştirilir. [M(20)] [M(6)] +3 ; Belleğin 20 konumunun içeriği 6 nolu bellek konumunun içeriğine 3 eklenerek oluşturulur. 7

8 Mikroişlemcinin Yapısı Input O utput Central Processing Unit (CPU) Memory Data Progr am Mikroişlemci, bellekten komutları okuyan, yürüten ve giriş-çıkış cihazlarını kontrol eden birimdir. Getirme Kod Çözme Yürütme Getirme Kod Çözme Yürütme Komut N Komut N+1 Komut Saykılı Komut Saykılı 8

9 Getirme Fazı (Fetch Phase) CPU nun bir komutu yürütmeden önce, bu komutu bellekten getirmesi gerekir. Program Counter (PC), bellekte yürütülecek bir sonraki komutun adresini içerir. Komutun getirilmesi için PC nin içeriği Memory Register (MAR) e aktarılır. [MAR] [PC] Address Ardından PC nin içeriği bir arttırılır. [PC] [PC+1] MAR, yazma çevrimi veya okuma çevrimi sırasından üzerinde işlem yapılacak bellek konumunun adresini barındırır. 9

10 Getirme Fazı (Devam) Bu aşamada MAR aynı zamanda, PC nin artımdan bir önceki içeriğini yansıtır. Okuma çevrimi gerçekleştirildiğinde MAR ile belirlenmiş olan bellek konumunun içeriği okunup içeriği MBR(Memory Buffer Register e) aktarılır. [MBR] [ M( [MAR] ) ] MBR okuma çevrimi sırasında bellekten okunan verilerin geçici olarak tutulduğu; yazma çevrimi sırasında da belleğe yazılacak verilerin geçici olarak tutulduğu bir saklayıcıdır. MBR nin içeriği daha sonra IR (Instruction Register) olarak adlandırılan saklayıcıya aktarılır. [IR] [ MBR ] 10

11 Getirme Fazı (Devam) IR ye getirilen veri 2 parçadan oluşur. Bunlar; Op-code Operand IR içindeki veri Op-code (İşlem Kodu): CPU ya hangi işlemin gerçekleştirileceğini söyler. Operand (İşlenen): Op-code tarafından kullanıcak verinin adresini belirtir. Mikroişlemci içindeki komutlar birden fazla operanda sahip olabileceği gibi hiç bir operandı olmayan komutlarda mevcuttur. Control Unit (CU), IR deki Op-code u alır ve gerekli kontrol sinyallerini üretir. 11

12 Getirme Fazı (Devam) Programın yürütümü sırasında, mikroişlemci, her komutu sırayla bellekten getirir, komutla belirtilen işi belirler ve bu işi yapar (yürütür). Bu yüzden mikroişlemci 2 fazlı olarak çalışır. i) Getirme (Fetch Phase) ve ii) Yürütme (Execution Phase) Komut 0 Komut 1 Getirme Yürütme Getirme Yürütme Yürürlükteki Komut.... Komut N Komut N+1 Komut N Komut N+1 Komut Saykılı Komut Saykılı Komutların Dizilişi (Bellekte) 12

13 Getirme Fazı (Devam) FETCH [MAR] [PC] ; PC nin içeriği MAR a kopyalanır. [PC] [PC]+1 ; PC nin içeriği 1 arttırılır. [MBR] [M ( [MAR] ) ] ; Komut bellekten okunur [IR] [MBR ]; Komut IR ye aktarılır. CU [IR (op-code) ]; Op-code kontrol birimine aktarılır. Getirme fazında, komut bellekten okunur ve kontrol birimi (CU) tarafından kodu çözülür. Yürütme fazında kontrol birimi, komutun yürütülmesi için gerekli olan sinyalleri üretir. 13

14 14

15 Ek Üniteler DR (Data Register) hesaplamalar sırasında geçici verilerin tutulduğu saklayıcıdır. Accumulator olarak da bilinir (A) 2 operanda ile işlem yapan komutlar DR yi kullanırlar. Örn: ADD X, D0 ; X bellek konumunun içeriğini DR ye ekler ve sonucu tekrar buraya yazar. RTL ile ifadesi; [D0] [D0]+[M(x)] 15

16 Ek Üniteler (Devam) ALU (Arithmetic and Logical Unit) aritmatiksel ve mantıksal hesaplamaların yapıldığı birimdir. Aritmetik ve mantıksal işlemler DR ve MBR nin içeriği kullanılarak gerçekleştirilir. Sonuçlar yine DR veya MBR de saklanır. 16

17 Ek Üniteler (Devam) İşlem Sınıfı Mnemonic Addition Arithmetic ADD Subtraction Arithmetic SUB Negation Arithmetic NEG Multiplication Arithmetic MULU Division Arithmetic DIVU Divide by 2 Arithmetic ASR Multiply by 2 Arithmetic ASL AND Logical AND OR Logical OR NOT Logical NOT EOR Logical EOR Shift left Logical LSL Shift right Logical LSR ALU tarafından gerçekleştirilen temel işlemler 17

18 18

19 Örn: P = Q + R işleminin gerçekleştirilmesi Assembly Kodları MOV Q, D0; Bellekteki Q konumunun içeriğini DR e aktar. ADD R, D0; Bellekteki R konumunun içeriğini DR e ekle MOV D0, P; Sonucu bellekteki P konumuna yaz. ADD R, D0; satırının RTL ile ifadesi aşağıdaki gibidir; FETCH [MAR] [PC] ; PC nin içeriği MAR a kopyalanır. [PC] [PC] + 1 ; PC nin içeriği 1 arttırılır. [MBR] [M ( [MAR] ) ] ; Komut bellekten okunur [IR] [MBR ]; Komut IR ye aktarılır. CU [IR (op-code) ]; Op-code kontrol birimine aktarılır. ADD [MAR] [IR(address)] ; Operand MAR a aktarılır. [MBR] [M( [MAR] )] ; R konumunu bellekten oku [ALU] [MBR] ; [ALU] [D0] ; Ekleme işlemini gerçekleştirir. [D0] [ALU] ; Sonuç D0 a yazılır. Mikrokod Karşılıkları 19

20 Şartlı Komutların Yürütülmesi Dallanma (Brach) ve Sıçrama (Jumps) CPU yu komutların normal icra sırasının dışına çıkmasına zorlayan komutlardır. Brachlar belli bir şarta göre gerçekleştirilirken, Jump lar için şart söz konusu değildir. (IF...ELSE...) veya (GOTO) 20

21 Şartlı Komutların Yürütülmesi(Devam) Condition Code Register (CCR), her bir komutun işletilmesinden sonra ALU nun sonuç değerine göre şekil alır. Branch komutu yürütüleceğinde CU(Control Unit) CCR nin o anki durumunu sorgular. Sorgulama sonucuna göre, ya komutların sırayla işletilmesine devam edilir ya da bellek üzerinde farklı bir bölgeye dallanılarak komutları yürütülür. 21

22 22

23 Condition Code Register (CCR) N V Z C C (Carry) : Gerçekleştirilen işlem bir elde oluşturmuşsa kurulur(set). Z (Zero) : İşlemin sonucu 0 ise kurulur(set). N (Negative) : İşlem sonucunda negatif bir değer elde edilirse kurulur. V (Overflow) : Sonuç değer izin verilen bölgenin dışına taşıyorsa kurulur. 23

24 Dallanma Komutları Mnemonic Branch Durum BCC Brach on Carry Clear C=0 BCS Brach on Carry Set C=1 BEQ Branch on Zero Result Z=1 BNE Branch on non-zero Result Z=0 BMI Branch on Minus Result N=1 BPL Branch on Positive Result N=0 BVC Branch on Overflow Clear V=0 BVS Branch on Overflow Set V=1 Temel Koşullu Dallanma Komutları 24

25 IF (şart) THEN (İşlem) ifadesinin RTL karşılığı (BCC-Branch on Carry Clear kullanılrak) ; Eğer CCR deki Carry biti 0 ise (Clear olması) belirtilen adrese gidilir. BCC adr: IF [C]=0 THEN [PC] [IR(adr)] 25

26 Operand Olarak Gerçek Değerlerin Kullanılması Operandlar, bellekteki bir adresi gösterdiği gibi üzerinde işlem yapılacak gerçek değerleri de gösterebilir. Bunun için # sembolü kullanılır. Bunun için IR operandı ile ALU ve DR arasına yeni bir veri hattı eklenir.... ADD A, D0 ; [D0] [A]+[D0] veya ADD #12, D0 ; [D0] [D0]+12 A değişkeni 12 Bellek 26

27 27

28 İşlemcinin komut seti aşağıdaki gibidir. Örnek Op-Code Mnemonic İşlev Açıklaması 00 M MOVE M,D0 M in bellek içeriğini D0 ye aktar. 01 M MOVE D0,M D0 nin içeriğini M bellek bölgesine aktar. 02 M IN M, D0 M numaralı cihazdan giriş verisi al ve DR0 a aktar. 03 M OUT D0,M D0 ın içeriğini M numaraları cihaza çıkış olarak aktar. 04 M ADD M, D0 M in bellek içeriğini D0 ın içeriğine ekle. 05 M SUB M, D0 M in bellek içeriğini D0 dan çıkar. 06 M AND M,D0 M in bellek içeriği ile D0 ın içeriğini mantıksal AND le 07 M OR M,D0 M in bellek içeriği ile D0 ın içeriğini mantıksal OR la 08 NEG D0 D0 ın içeriğinin tersle. 09 ASL D0 D0 ın içeriğini 1 kere sola kaydır. 0A ASR D0 D0 ın içeriğini 1 kere sağa kaydır. 0B M CMP M,D0 M in bellek içeriği ile D0 ın içeriğini karşılaştır. 0C M MOVE #M, D0 M sayısını D0 a yerleştir. 28

29 Örnek Op-Code Mnemonic İşlev Açıklaması 0D N BEQ N Zero bayrağı kurulmuşsa (Z=1) N ile belirtilen adrese dallan 0E N BNE N Zero bayrağı kurulmamışsa (Z=0) N ile belirtilen adrese dallan 0F N BCC N Carry bit kurulmamışsa (C=0) N ile belirtilen adrese dallan 10 N BCS N Carry bit kurulmuşsa (C=1) N ile belirtilen adrese dallan 11 N BRA N N ile belirtilen adrese dallan (Koşulsuz dallanma) 12 STOP Dur. Giriş-Çıkış Birimleri Device Number I/O Açıklaması 0 Input Klavye 1 Output Ekran 29

30 ? Örnek Girilen en son karakter 0 oluncaya kadar klavyeden sayıları okuyan ve bunları toplayıp sonucu 10 ile çarpıp görüntü birimine gönderen program bu prototip üzerinde nasıl gerçekleştirilir? Basic ile 10 T=0 20 INPUT N 30 T=T+N 40 IF N<>0 THEN GOTO T=T*10 60 PRINT T 70 STOP C ile #include <stdio.h> void main (void) { int n, T=0; scanf (&n); while (n!=0) { T+=n; scanf(&n); } T*=10; printf (T); } Problemin Yüksek Seviyeli Dillerde Oluşturulması 30

31 Problemin çözümünde 3 farklı yaklaşım izlemek mümkündür: i) Öncelikli olarak problemi tanımlayan bir akış şeması çizilir ve bu akış şemasına göre assembly kodu oluşturulur. ii) Problem, az önce yapıldığı gibi yüksek düzeydeki dillerden herhangi birinde yazılır ve her bir ifade sırasıyla assembly karşılığına dönüştürülür. iii) Diğer bir yöntem ise algoritmaya göre doğrudan assembly kodlarını üretmektir. 31

32 Akış Diyagramı & Yalancı Kod (Flow Charts) & (Pseudocode) Algoritma 2 şekilde temsil edilebilir. T:=T+10 Hayır T:=0 N i oku N=0 mı? Evet T:=T*10 Module topla_carp_10 Clear total Repeat Get_number total:=total + number Until number = 0 total:=total *10 Print total End topla_carp_10 N i yazdır 32

33 Probleminde toplam değerleri 10 ile çarpılmaktadır. Fakat işlemcinin komut seti incelendiğinde çarpma için tanımlanmış bir op-code mevcut değildir. Bu işlem için sola döndürme işleminden ASL yararlanılacaktır. Her bir sola kaydırma işlemi verinin 2 ile çarpılması demektir. 10 ile çarpma işlemini gerçekleştirmek için; 10T = (2x2T+T) x 2 ; formülü kullanılır. (Bir kere 2 ile çarpmak için ASL bir kere işletilir. MSB LSB C... 0 ASL 33

34 Etiket Alanı Mnemonicler Açıklamalar 1 NAM EXAMPLE 2 ORG $20 ; Veri Başlangıç noktası $20 (Data Orgin) 3 TOTAL DS 1 ; Total değişkeni için bellekte 1 kelimelik yer ayrılmakta 4 ORG 0 ; Programın başlangıç noktası 5 MOVE #0, D0 ; [D0] 0 6 MOVE D0, TOTAL ; [TOTAL] [D0] 7 REPEAT IN 0,DO ; [D0] Input 8 BEQ MULT ; Eğer girilen değer 0 ise MULT etiketine dallan 9 ADD TOTAL,D0 ; [D0] [D0]+[TOTAL] 10 MOVE D0, TOTAL ; [TOTAL] [D0] 11 BRA REPEAT ; REPEAT etiketine dallan 12 MULT MOVE TOTAL,D0 ; [D0] [TOTAL] 13 ASL D0 ; [D0] [D0] x 2 (2 x TOTAL) 14 ASL D0 ; [D0] [D0] x 2 (4 x TOTAL) 15 ADD TOTAL, D0 ; [D0] [D0]+[TOTAL] (5 x TOTAL) 16 ASL D0 ; [D0] [D0] x 2 (10 x TOTAL) 17 OUT D0,1 ; Output [D0] 18 STOP ; DUR 19 END ; SON Programın Assembly Kod Karşılığı 34