Przykładowa Maszyna Cyfrowa II

Procesor PMC II pobiera kolejne instrukcje z pamięci (przy pomocy licznika programu) i umieszcza je w rejestrze instrukcji. Pobrana instrukcja jest analizowana w celu określenia rodzaju operacji do wykonania. Po rozkodowaniu instrukcji procesor wykonuje wskazane polecenie i pobiera kolejną instrukcję.

Aby zrozumieć kodowanie rozkazów w PMC II musimy przedstawić instrukcję w postaci binarnej - czyli tak, jak jest ona przechowywana wewnątrz komputera. Ponieważ instrukcje są umieszczane w 16 bitowych komórkach pamięci PMC II, to każda z nich zbudowana jest z 16 bitów. Bity te podzielimy na trzy grupy, które będziemy zwać polami (ang. bit field).

Bity b₁₂...b₁₅ (cztery najstarsze) tworzą pole instrukcji. Od kombinacji bitów w tym polu zależy rodzaj instrukcji, czyli rodzaj operacji, które wykona procesor po rozkodowaniu instrukcji. Cztery bity pozwalają na 16 różnych kombinacji i tyle różnych instrukcji może wykonać procesor PMC II.

Dwa następne bity b₁₀ i b₁₁ określają tzw. tryb adresowania. Tryb adresowania jest sposobem pobierania przez procesor argumentu dla instrukcji. Dwa bity pozwalają na cztery różne tryby adresowania.

Pozostałe bity b₀...b₉ określają argument dla instrukcji. Ich dokładne znaczenie zależy od zawartości pola trybu adresowania.

Procesor PMC II potrafi pobierać argument dla rozkazu na cztery różne sposoby. Rodzaj adresowania zapisany jest w postaci dwubitowego kodu w polu tryby adresowania instrukcji PMC II. W zależności od kombinacji tych bitów rozróżniamy następujące tryby adresowania:

Wszystkie podane tryby adresowania argumentu mogą być stosowane z każdą instrukcją PMC II (chociaż nie zawsze ma to sens).

Rodzaj instrukcji do wykonania określa 4-bitowe pole instrukcji. Instrukcje są następujące:

Przykład:

Dla przykładu zakodujmy w postaci binarnej instrukcję, która dodaje do zawartości akumulatora liczbę 15. Kod instrukcji dodawania, to 0011. W ten sposób określamy bity pola kodu instrukcji. Liczba 15 jest daną natychmiastową, zatem pole trybu adresowania ma kod 01. Pozostałe dziesięć bitów określa w kodzie U2 liczbę 15 - 0000001111. Łączymy poszczególne pola w całość i otrzymujemy:

0011010000001111 - dodaj do akumulatora liczbę 15. Proste?

Ponieważ zapis bitowy instrukcji PMC II jest niewygodny, każda instrukcja posiada 3 literową nazwę, którą nazywamy mnemonikiem. Mnemonik ułatwia zapamiętanie polecenia. W poniższej tabeli zebraliśmy wszystkie instrukcje PMC II

END arg

LDA arg

STA arg

ADD arg

SUB arg

MUL arg

DIV arg

MOD arg

INC arg

DEC arg

JMP arg

JZR arg

JMI arg

AND arg

ORA arg

XOR arg

Oprócz rozkazów dla procesora PMC II zdefiniowana jest jeszcze tzw, dyrektywa DAT, która umożliwia umieszczenie danych w komórce pamięci. Dyrektywa nie jest rozkazem i nie zostaje przetłumaczona na kod instrukcji. Zamiast tego w bieżącej komórce umieszcza się argument tej dyrektywy. Argument może być liczbą 16-bitową U2 o zakresie od -32768 do 32767.

DAT 115 ;umieszczenie w komórce liczby 115

PMC II posiada 4 tryby adresowania argumentu.

Tryb adresowania akumulatora

Tryb adresowania akumulatora tworzymy nie umieszczając za instrukcją żadnych danych. Na przykład

ADD

Oznacza dodanie do siebie zawartości rejestru akumulatora.

Uwaga - jeśli zastosujemy rozkaz skoku JMP, JZR lub JMI bez argumentu, to PMC II wykona skok pod adres zawarty w akumulatorze. Czasami może to być potrzebne (tzw. skoki wyliczane).

Tryb natychmiastowy

W tym trybie wartość argumentu jest bezpośrednio zakodowana w bitach pola argumentu. Tryb natychmiastowy oznaczamy umieszczając bezpośrednio przed wartością znak #. Na przykład:

LDA #15

oznacza polecenie umieszczenia w akumulatorze liczby 15. Po wykonaniu tej instrukcji akumulator będzie zawierał wartość 15. Inne przykłady:

ADD #8 ;dodanie do zawartości akumulatora liczby 8
MUL #5 ;pomnożenie akumulatora przez 5

Tryb natychmiastowy stosowany jest standardowo z rozkazami skoków:

JMP #26 ;skok do instrukcji umieszczonej pod adresem 26

Tryb bezpośredni

Pole argumentu zawiera w tym trybie adres komórki pamięci PMC II, w której jest właściwy argument. Tryb bezpośredni oznaczamy umieszczając bezpośrednio przed adresem znak $. Na przykład:

LDA $15

oznacza polecenie umieszczenia w akumulatorze zawartości komórki pamięci PMC II o adresie 15. Zwróć uwagę, iż nie jest to to samo co poprzednio, ponieważ komórka 15 może zawierać dowolną wartość. Inne przykłady:

STA $0  ;umieść zawartość akumulatora w rejestrze INOUT
STA $10 ;umieść zawartość akumulatora w komórce pamięci pod adresem 10
ADD $5  ;dodaj do zawartości akumulatora zawartość komórki pod adresem 5

Zapamiętaj dobrze różnicę pomiędzy trybem natychmiastowym, a bezpośrednim. W trybie natychmiastowym argument jest bezpośrednio podany w instrukcji. W trybie bezpośrednim w instrukcji podajemy adres komórki zawierającej argument:

MUL #6 ;mnóż akumulator przez liczbę 6
MUL $6 ;mnóż akumulator przez to, co zawiera komórka o adresie 6

Tryb pośredni

W trybie tym instrukcja w polu argumentu zawiera adres komórki przechowującej właściwy adres argumentu. Dostęp do argumentu jest zatem pośredni poprzez wskazywaną komórkę. Tryb pośredni oznaczamy umieszczając bezpośrednio przed adresem komórki znak *:

LDA *15

Instrukcja ta oznacza pobranie do akumulatora zawartości komórki pamięci PMC II, której adres przechowuje komórka o adresie 15. Jeśli przykładowo w komórce tej jest liczba 25, to do akumulatora trafi zawartość komórki o adresie 25.

Tryb pośredni jest najtrudniejszym do zrozumienia trybem adresowania, lecz z drugiej strony najczęściej się go stosuje przy dostępie do tablic. Zapamiętaj, iż w trybie pośrednim instrukcja zawiera adres komórki, w której jest właściwy adres argumentu.

Posługiwanie się adresami liczbowymi jest dosyć żmudne i nużące. Dlatego programiści wymyślili etykiety. Etykieta jest nazwą, którą dużo łatwiej zapamiętać. W PMC II etykiety muszą rozpoczynać się od litery lub od znaku podkreślenia. Następne znaki muszą być literami, cyframi lub znakami podkreślenia. Tylko pierwsze 8 znaków etykiety jest znaczące. Etykieta musi się kończyć znakiem dwukropka.

Etykiety umieszcza się zawsze przed instrukcją lub przed dyrektywą DAT. Etykieta przyjmuje wartość adresu instrukcji, przy której została umieszczona. Umożliwia to później łatwiejsze wykonanie skoku do wybranej instrukcji lub odwołanie się do danych. Na przykład poniższy program sumuje dwie komórki i wynik umieszcza w trzeciej komórce.

Wersja bez etykiet

DAT 10 ;pierwsza liczba
DAT 15 ;druga liczba
DAT  0 ;tutaj będzie wynik dodawania
LDA $1 ;pobieramy do akumulatora pierwszą liczbę
ADD $2 ;dodajemy do niej drugą liczbę
STA $3 ;wynik umieszczamy w trzeciej komórce
END

Wersja z etykietami

L1:    DAT 10     ;pierwsza liczba
L2:    DAT 15     ;druga liczba
WYNIK: DAT  0     ;tutaj będzie wynik dodawania
START: LDA $L1    ;pobieramy do akumulatora pierwszą liczbę
       ADD $L2    ;dodajemy do niej drugą liczbę
       STA $WYNIK ;wynik umieszczamy w trzeciej komórce
       END

Program jest zawsze umieszczany w pamięci PMC II począwszy od komórki o adresie 1. Zatem pierwsza instrukcja programu zawsze znajduje się w komórce o adresie 1. Bez etykiet musimy sami pamiętać, w których komórkach są dane i instrukcje. Z etykietami zadanie to mamy rozwiązane w prosty sposób. Do komórek będziemy się odwoływać za pomocą symbolicznych etykiet, zatem nie musimy nawet wiedzieć, pod którym adresem dana komórka się znajduje - zadanie to przejmuje za nas asembler, który tłumaczy tekst programu PMC II na odpowiednią zawartość komórek pamięci.

Jako dane w instrukcjach PMC II można stosować:

Liczby dziesiętne

DAT 1745
DAT -15
LDA #33
STA $25
ADD *12

Liczby szesnastkowe

DAT 0FFFFH
DAT 35AH
AND #3FH
STA $4CH

Liczby szesnastkowe (jeśli nic nie wiesz o liczbach szesnastkowych, ósemkowych i binarnych, przeczytaj artykuł o Binarnym Kodowaniu Liczb) kończą się zawsze literką H. Jeśli liczba szesnastkowa rozpoczyna się od cyfry A,B,C,D,E lub F, to cyfrę tę należy poprzedzić cyfrą 0 - w przeciwnym razie asembler będzie sądził, iż jest to etykieta i powstanie błąd.

Liczby ósemkowe

DAT 777Q
DAT 33Q
DIV #45Q

Liczby ósemkowe kończą się zawsze literą Q.

Liczby dwójkowe

DAT 1100101B
DAT 1100B
AND #11110000B

Liczby dwójkowe zawsze kończą się literą B.

Znaki

DAT "H
DAT "A
LDA #"B

Znak jest zawsze poprzedzony cudzysłowem. Znak zostaje zamieniony na kod ASCII i w takiej postaci jest umieszczany w pamięci lub w kodzie instrukcji. Z kilku znaków tylko pierwszy jest znaczący:

LDA #"ABC ;w akumulatorze znajdzie się kod ASCII litery A

Etykiety

DAT TEKST
DAT DANE
LDA $CZYNNIK
JMP #START

Jako dane można również stosować etykiety. Wartością etykiety jest zawsze adres komórki, do której etykieta się odnosi.

Tworząc program dla PMC II musimy przestrzegać kilku prostych zasad.

Wiersz pusty

W programie można wstawiać dowolną ilość wierszy pustych (w przykładzie wiersz pusty pomiędzy etykietami LICZNIK oraz START):

LICZNIK: DAT 0

START:   LDA $LICZNIK
         ...

Wiersze puste nie są tłumaczone na zawartość pamięci, nie wpływają zatem na długość programu wynikowego.

Komentarz

Komentarz w PMC II rozpoczyna się od znaku średnika, po którym możemy umieścić dowolny tekst. Tekst ten nie jest analizowany przez asembler. Komentarze można umieszczać w dowolnym miejscu wiersza. Od początku komentarza do końca wiersza programu treść jest ignorowana. Komentarze są doskonałym narzędziem do dokumentowania działania programu.

;Zmienne programu
PRCNT: DAT  10  ;wartość procentu
KONTO: DAT 120  ;stan konta

Etykieta

Jeśli wiersz ma definiować etykietę, to musi się ona znajdować na początku wiersza:

LP1:  LDA $LICZNIK
      ADD #23
      STA $LICZNIK
      JMI #LP1

Jeśli w wierszu umieścimy samą etykietę, to definiuje ona pierwszą komórkę z instrukcją, która wystąpi w najbliższym wierszu:

START:
        LDA $XXX
        ...

W tym przykładzie etykieta START wskazuje komórkę z instrukcją LDA $XXX. Nie wolno definiować więcej niż jednej etykiety dla tej samej komórki.

Wcięcia

Początkowe spacje są nieznaczące, zatem można je wykorzystywać do pozycjonowania instrukcji programu w tej samej pionowej kolumnie, co znakomicie poprawia czytelność. Porównaj dwa przykłady tego samego programu bez wcięć i z wcięciami. Który jest bardziej estetyczny i czytelny?

WSP_A: DAT -5
WSP_B: DAT 3
X: DAT 0
START: LDA $WSP_B
JZR #KONIEC
LDA $WSP_A
DIV $WSP_B
STA $X
KONIEC: END

WSP_A:  DAT -5
WSP_B:  DAT  3
X:      DAT  0

START:  LDA $WSP_B
        JZR #KONIEC
        LDA $WSP_A
        DIV $WSP_B
        STA $X
KONIEC: END

1. Skąd pobiera procesor instrukcje wykonywanego programu?
2. Co to jest pole bitowe?
3. Z jakich pól bitowych składa się instrukcja PMC II? Jakie jest ich przeznaczenie?
4. Co to jest asembler?
5. Co to jest tryb adresowania?
6. Czym różni się tryb adresowania natychmiastowego od trybu adresowania bezpośredniego?
7. W jaki sposób w asemblerze PMC II oznaczamy podstawowe tryby adresowania?
8. Co oznacza zapis asemblera: ADD *5 ?
9. Do czego stosowane są etykiety?
10. Jakie są reguły tworzenia etykiet?
11. Jak zapisujemy w asemblerze PMC II liczby dziesiętne, binarne, ósemkowe i szesnastkowe?
12. Co zostanie umieszczone w akumulatorze po wykonaniu instrukcji LDA #"1?
13. Do czego wykorzystywane są komentarze?
14. Uporządkuj wiersz wg kolejności składników: ;dodajemy #15 PUNKT1: ADD
15. Dlaczego w PMC II procesor rozróżnia tylko 16 instrukcji?
16. Co się stanie, jeśli w programie umieścimy samą instrukcję JMP?