Przykładowa Maszyna Cyfrowa I

John Von Neumann (1903 - 1957)

Wszystkie współczesne komputery budowane są wg schematu określonego w 1945 przez Johna Von Neumana. Schemat ten zakłada, iż komputer będzie posiadał trzy odrębne elementy składowe: pamięć, urządzenia wejścia/wyjścia oraz procesor. W pamięci będą przechowywane przetwarzane dane oraz program dla procesora. Urządzenia wejścia/wyjścia umożliwią wymianę informacji pomiędzy komputerem a otoczeniem, natomiast procesor umożliwi przetwarzanie danych. Nasza Przykładowa Maszyna Cyfrowa również zbudowana jest wg schematu komputera Johna Von Neumana i posiada wszystkie trzy wymienione wyżej składniki.

Struktura logiczna Przykładowej Maszyny Cyfrowej

Centralną funkcję w systemie pełni procesor, który komunikuje się z pozostałymi komponentami za pomocą trzech magistral (magistrala składa się z kilku linii, po których biegną sygnały cyfrowe, tzn. 0 lub 1):

• magistrala adresowa służy do przekazywania adresu komórki lub rejestru wejścia wyjścia. Szerokość magistrali adresowej określa obszar adresowy komputera. Ponieważ adres jest liczbą binarną, to dla n linii adresowych obszar ten ma rozmiar 2ⁿ. W PMC magistrala adresowa ma szerokość 10 bitów, co pozwala zaadresować 1024 komórki pamięci.
• magistrala danych służy do przesyłania danych pomiędzy procesorem a pamięcią lub rejestrami wejścia/wyjścia. W PMC magistrala danych ma szerokość 16 bitów i jest dwukierunkowa, tzn. te same linie są używane do zapisu i do odczytu informacji.
• magistrala sterująca umożliwia procesorowi zapis lub odczyt informacji w pamięci lub w rejestrach wejścia/wyjścia. W PMC magistrala ta zawiera cztery linie sterujące: R, W, MEM oraz IO. Linia R steruje zapisem danych do pamięci lub do rejestrów wejścia/wyjścia. Linia W steruje odczytem danych z pamięci lub z rejestrów wejścia/wyjścia. Stan wysoki na linii MEM wybiera pamięć do operacji zapisu/odczytu. Gdy na linii tej panuje stan niski, pamięć jest odłączona (nieaktywna) i nie reaguje na zmiany sygnałów R i W. Podobnie linia IO steruje operacjami zapisu i odczytu portów wejścia/wyjścia. W stanie niskim porty są odłączone od magistrali danych i nie reagują na zmiany sygnałów R i W. Liniami wyboru pamięci i rejestrów wejścia/wyjścia steruje układ adresowy w procesorze.

Omawianie struktury PMC rozpoczniemy od pamięci. Pamięć jest elementem każdego komputera, w którym przechowuje się program dla procesora oraz dane przez ten program przetwarzane. Pamięć składa się z komórek. W PMC każda komórka może zapamiętać 16 bitów, powiemy więc, iż pamięć PMC jest 16 bitowa. Aby uzyskać dostęp do zawartości komórki musimy operować adresem. Adres jest numerem przypisanym każdej komórce. W PMC pierwsza komórka pamięci ma adres 8, a ostatnia 1023. Wynika stąd, iż komórek pamięci jest w sumie 1016 (w rzeczywistej pamięci komórek tych jest 1024, lecz pierwsze osiem nie są dostępne dla procesora, gdyż w tym miejscu przestrzeni adresowej przebywają rejestry wejścia/wyjścia). Ponieważ PMC służy tylko do przykładowych programów, jest to ilość więcej niż wystarczająca.

Schemat pamięci PMC

Gdy sygnał sterujący MEM ma stan 1, pamięć PMC może wykonywać dwa cykle pracy - cykl zapisu oraz cykl odczytu. Gdy sygnał MEM ma stan niski 0, pamięć jest nieaktywna i odłączona od magistrali danych.

Cykl odczytu pamięci PMC

Każdy cykl rozpoczyna się stanem niskim sygnałów R, W oraz MEM,

1. Procesor ustawia na magistrali adresowej adres komórki, którą chce odczytać. Dekoder adresowy wewnątrz pamięci uaktywnia odpowiednią komórkę. Ponieważ sygnał MEM jest w stanie niskim 0, to pamięć jest odłączona od magistrali danych.
2. Procesor ustawia w stan wysoki sygnał R (Read - odczyt).
3. Procesor ustawia w stan wysoki sygnał wyboru pamięci MEM. Po pojawieniu się tego sygnału uaktywniony zostaje układ zapisu/odczytu. Ponieważ sygnał R jest w stanie wysokim, więc na wyjście magistrali danych zostaje podana zawartość komórki, którą uaktywnia układ adresowy. Kończy to cykl odczytu.
4. Procesor czeka przez odpowiedni okres czasu, aż ustalą się stany na magistrali danych, po czym odczytuje z niej zawartość adresowanej komórki pamięci.
5. Procesor ustawia w stan niski sygnały R i MEM. Powoduje to odłączenie pamięci od magistrali danych i przejście w stan nieaktywny.
    

Cykl odczytu pamięci PMC

Cykl zapisu pamięci PMC

Na początku cyklu zapisu sygnały sterujące MEM, W oraz R mają stan niski 0.

1. Procesor ustawia na magistrali adresowej adres komórki, do której chce wprowadzić informację. Na magistrali danych procesor ustawia dane do zapisu w komórce. Dekoder adresowy wewnątrz pamięci uaktywnia komórkę o podanym adresie. Ponieważ sygnał wyboru pamięci MEM ma jeszcze stan niski, to pamięć jest odłączona od magistrali danych.
2. Procesor ustawia w stan wysoki 1 linię W (Write - zapis). Sygnał MEM ma stan niski, więc pamięć jeszcze nie reaguje na ten sygnał.
3. Procesor ustawia w stan wysoki linię MEM. Powoduje to uaktywnienie układu zapisu/odczytu komórki pamięci. Ponieważ linia W jest w stanie wysokim, to układ ten odczytuje z magistrali danych daną i umieszcza ją w uaktywnionej przez dekoder adresowy komórce.
4. Procesor czeka odpowiedni okres czasu, aby pamięć zdążyła pobrać dane i umieścić je w komórce.
5. Procesor ustawia w stan niski linie W oraz MEM. Kończy to cykl zapisu. Pamięć staje się nieaktywna. Cykl zapisu zostaje ukończony.
    

Cykl zapisu pamięci PMC

Porty wejścia/wyjścia (ang. I/O - Input/Output) są bramami, poprzez które procesor może przesyłać informację do różnych urządzeń zewnętrznych komputera. W PMC jest osiem portów we/wy umieszczonych w przestrzeni adresowej procesora od adresu 0 do 7. Tłumaczy to, dlaczego właściwa pamięć rozpoczyna się dopiero od komórki o adresie 8 - niższe adresy zajmują porty.

Cykl zapisu i odczytu portu wejścia wyjścia jest identyczny z cyklem zapisu i odczytu pamięci. Jedyną różnicą jest użycie w tym przypadku linii IO do uaktywniania portów zamiast linii MEM. Porty posiadają różną długość w bitach w zależności od pełnionej przez nie funkcji i nie zachowują się jak komórki pamięci, tzn. zapis do portu powoduje wykonanie pewnej operacji przez urządzenie zewnętrzne, które jest sterowane za pomocą tego portu.

Teraz omówimy dokładnie każdy z portów dostępnych w PMC. Poznanie ich funkcji jest niezbędne dla programowania tego komputera.

CHP, CHI - Porty wyjścia znakowego

Widok ekranu znakowego na symulatorze PMC

PMC wyposażona jest w wyświetlacz znakowy, który potrafi wyświetlać 16 znaków. Nie jest to ilość imponująca, ale pamiętaj o przeznaczeniu PMC! Kolor wyświetlanych znaków wybieramy klikając w kolorowe przyciski umieszczone ponad wyświetlaczem po prawej stronie. Sterowanie odbywa się poprzez dwa skojarzone ze sobą porty:

Do portu CHP zapisujemy polecenie, które ma wykonać wyświetlacz. Polecenia są 9 bitowe i mają następujący format:

Jeśli bit b₈ ma wartość 0, to pozostałe bity są traktowane jako kod ASCII znaku, który zostanie wyświetlony na wyświetlaczu (jeśli więc zechcesz wyświetlić znak, to wystarczy przesłać do tego portu jego kod ASCII). Pozycję znaku na wyświetlaczu określa zawartość portu CHI. Na przykład, jeśli wyświetlacz jest pusty i do portu CHI prześlemy liczbę 5, a do CHP kod ASCII znaku A, to wyświetlacz znakowy przyjmie następujący wygląd:

.

.

.

.

.

A 

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Literka A pojawi się na pozycji nr 5 (pozycje numerujemy od zera poczynając od lewej strony).  Jeśli teraz do portu CHI wpiszemy 6, a do CHP kod literki B, to na wyświetlaczu pojawi się następujący napis:
 

.

.

.

.

.

A 

B

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Zrozumiałeś już przeznaczenie tych portów? Port CHP steruje wyświetlaniem znaków, a CHI określa pozycję znaku na wyświetlaczu. Port ten jest 4-bitowy. Ogólniej CHI określa pozycję wyświetlacza, której użyje funkcja wprowadzona do portu CHP.

Jeśli bit b₈ ma stan 1 (kody > 255), to wprowadzenie takiej wartości do portu CHP spowoduje wykonanie operacji określonej stanem bitów b₂, b₁ oraz b₀. Są to następujące operacje:

W

i

t

a

j

c

i

e

.

w

.

P

M

C

.

.

W

i

t

a

j

i

e

.

w

.

P

M

C

.

.

.

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

A

B

C

D

E

.

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

N

a

s

z

a

.

k

l

a

s

a

.

I

I

I

B

a

s

z

a

.

k

l

a

s

a

.

I

I

I

B

.

N

a

s

z

a

.

k

l

a

s

a

.

I

I

I

B

.

N

a

s

z

a

.

k

l

a

s

a

.

I

I

I

N

a

s

z

a

.

k

l

a

s

a

.

I

I

I

B

a

s

z

a

.

k

l

a

s

a

.

I

I

I

B

N

N

a

s

z

a

.

k

l

a

s

a

.

I

I

I

B

B

N

a

s

z

a

.

k

l

a

s

a

.

I

I

I

Następną właściwością wyświetlacza znakowego (dotyczy to również pozostałych urządzeń we/wy, które posiadają porty indeksowe) jest możliwość odczytu jego zawartości. Jeśli odczytamy stan portu CHP, to dostaniemy w wyniku kod znaku, który jest wyświetlany na pozycji określonej zawartością portu CHI. Na przykład, jeśli wyświetlacz ma następującą zawartość:

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

to wprowadzenie do portu CHI wartości 5, a następnie odczytanie portu CHP da w wyniku kod literki F, gdyż znajduje się ona właśnie na pozycji 5. Odczytanie portu CHI da z kolei numer pozycji wyświetlacza, na której pojawi się znak wprowadzany do portu CHP. Ponieważ jednak port CHI ma rozmiar 4 bitów, to zapis liczby większej od 15 pozostawi w tym porcie tylko 4 ostatnie bity. Odczyt zwróci te cztery bity. Na przykład, zapisujemy do portu CHI liczbę 27₍₁₀₎. Binarnie jest to liczba 11011₍₂₎. W porcie pozostanie 1011₍₂₎. Odczyt da więc wartość 11₍₁₀₎.

INP - Port znakowego wejścia danych

Widok bufora znakowego na symulatorze PMC

Wyjście znakowe (CHP i CHI) umożliwia PMC wyświetlanie prostych informacji tekstowych. Bardzo często jednak program musi odczytywać dane wprowadzane przez użytkownika. Do tego celu służy kolejny port  - wejście znakowe.

Port jest 16-bitowy i służy tylko do odczytu. Zapis danych do tego portu jest ignorowany i nie wywołuje żadnego działania ze strony PMC. Każdy odczyt portu INP daje w wyniku kod kolejnego znaku z bufora tekstowego lub wartości 0 albo -1. Znaki do bufora wprowadza użytkownik za pomocą klawiatury. Jeśli program stara się odczytać znak z bufora, a bufor jest pusty (skończyły się w nim znaki, użytkownik nie wprowadził jeszcze nowych), to otrzymamy w wyniku wartość -1 (kody wszystkich znaków są dodatnie). Jeśli natomiast użytkownik edytuje zawartość bufora, to odczyt portu INP da w wyniku 0. Wynika stąd następujący algorytm odczytu danych:

1. Odczytaj port INP
2. Jeśli dostałeś -1, to w buforze nie ma znaków. Możesz poprosić użytkownika w jakiś sposób o wprowadzenie nowej partii tekstu. W każdym razie kończysz odczyt.
3. Jeśli dostałeś 0, to port jest edytowany przez użytkownika, wracasz więc do punktu 1, aby czekać na udostępnienie bufora.
4. Odczytałeś znak, możesz go przetworzyć

Odczytany znak jest usuwany z bufora wejściowego. Następny odczyt portu INP da więc kod kolejnego znaku.

IOP - Port prostego wejścia/wyjścia

Widok diod LED oraz przycisków portu IOP na symulatorze PMC

Port ma długość 16 bitów oraz posiada inną funkcję przy odczycie, a inną przy zapisie.

Gdy odczytujemy port IOP otrzymujemy bitowy stan przycisków podłączonych do tego portu. Każdy przycisk steruje stanem jednego bitu. Gdy przycisk jest wciśnięty, to odpowiadający mu bit ma stan 1, a gdy wyciśnięty, to bit ten przyjmuje wartość 0. Badając stan bitów program może dowiedzieć się, który z przycisków został naciśnięty przez użytkownika. Numery bitów podane są nad przyciskami. Jeśli więc po odczycie portu IOP otrzymamy wartość 17₍₁₀₎, to zamieniwszy ją na 16 bitową liczbę binarną:

17₍₁₀₎ = 0000000000010001₍₂₎

stwierdzamy, iż naciśnięty jest przycisk 0 oraz 4.

Gdy zapisujemy wartość do portu, to powodujemy zaświecenie się diod LED, dla których odpowiednie bity zapisanej danej są ustawione na 1. Jeśli zapiszemy do tego portu wartość 17, to spowoduje to zaświecenie się diody LED numer 0 oraz numer 4. Kolor świecenia diod można regulować klikając myszką kolorowe przyciski umieszczone ponad diodami LED.

DSP, DSI - Porty wyświetlacza 7-segmentowego

Wyświetlacze 7-segmentowe w symulatorze PMC

Wyświetlacz 7-segmentowy LED jest popularnym wskaźnikiem cyfrowym, który znajduje szerokie zastosowanie w różnych urządzeniach pomiarowych i licznikowych. Nawet starsze komputery IBM posiadały takie wskaźniki. Było to w czasach, gdy procesory pracowały z dwoma częstotliwościami taktowania - normalną oraz turbo. Aby użytkownik wiedział, w jakim trybie pracuje procesor, stosowano dwu lub trzycyfrowy wyświetlacz 7-segmentowy. Warto więc poznać sposób programowania takich wyświetlaczy. PMC posiada ich 16. Są one numerowane od strony prawej do lewej. Na powyższej ilustracji widzimy zapalone wszystkie segmenty na wyświetlaczu nr 0. Wyświetlacz sterowany jest przy pomocy dwóch portów (podobnie jak wyjście znakowe):

Port DSI ustawia aktywny wyświetlacz. Port ma długość 4 bitów. Wpisujemy do niego numer wyświetlacza cyfry, do którego chcemy uzyskać dostęp. Dostęp do segmentów wyświetlacza uzyskujemy poprzez port DSP. Port ten jest 8 bitowy. Każdy bit steruje świeceniem jednego segmentu wyświetlacza w sposób pokazany poniżej:

 
Przydział bitów poszczególnym segmentom w porcie DSP

Taki sposób sterowania pozwala na wyświetlanie oprócz cyfr 0..9 również niektórych liter alfabetu oraz symboli. Zawartość portu DSP można również odczytywać. Dostaniemy wtedy informację o zaświeconych segmentach na wyświetlaczu, którego numer ustawiony został w porcie DSI. Poniżej przedstawiamy tabelę wartości, które należy wprowadzać do portu DSP, aby uzyskać odpowiednią cyfrę na wyświetlaczu (jeśli cyfra ma być razem z przecinkiem, to bit b₇ musi być ustawiony na 1, czyli do poniższych kodów należy dodać 128).

cyfra	bity portu DSP								kod
	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0	hex	dec
	0	0	1	1	1	1	1	1	3F	63
	0	0	0	0	0	0	1	1	03	3
	0	1	1	0	1	1	0	1	6D	109
	0	1	1	0	0	1	1	1	67	103
	0	1	0	1	0	0	1	1	53	83
	0	1	1	1	0	1	1	0	76	118
	0	1	1	1	1	1	1	0	7E	126
	0	0	1	0	0	0	1	1	23	35
	0	1	1	1	1	1	1	1	7F	127
	0	1	1	1	0	1	1	1	77	119

Zwróć uwagę, iż w tym przypadku posługiwanie się systemem binarnym do opisu zawartości portu DSP jest bardziej odpowiednie niż tajemnicze liczby dziesiętne, które nie oddają sensu zapisywanych w porcie informacji.

GRP, GRI - Porty ekranu graficznego

Widok ekranu graficznego
16 × 16 punktów w symulatorze PMC

PMC została wyposażona w bardzo proste możliwości graficzne - nie chciałem zbytnio komplikować zasad programowania komputera. Ekranik graficzny składa się z matrycy 16 × 16 punktów graficznych (pikseli). Każdy punkt może przyjmować jeden z 4096 różnych kolorów (tutaj ukłon w stronę Amigi). Sterowanie ekranikiem (tak go będę nazywał) graficznym odbywa się poprzez dwa ostatnie rejestry wejścia/wyjścia:

Port GRP jest 12 bitowy i steruje kolorem punktu, a GRI jest 8 bitowy i określa pozycję punktu na ekraniku graficznym.

Kolor jest kodowany na 12 bitach w trzech polach 4-bitowych. Każde pole steruje intensywnością związanego z nim koloru podstawowego w systemie RGB (Red - czerwony, Green - zielony, Blue - niebieski). Cztery bity pozwalają na określenie 16 poziomów, od 0000₍₂₎ do 1111₍₂₎ - czyli od 0 do 15. Poziom 0 oznacza brak danego koloru podstawowego. Poziom 15 oznacza maksymalne natężenie koloru podstawowego. Kolor wynikowy powstaje z mieszanki kolorów podstawowych. Poniżej przedstawiamy sposób kodowania kolorów podstawowych w porcie GRP:

Jeśli zawartość rejestru przedstawimy w postaci liczby szesnastkowej, to każda cyfra będzie określała natężenie jednego koloru podstawowego. W poniższej tabeli przedstawiamy kilka wybranych kolorów oraz ich kody w systemie szesnastkowym dla portu GRP.

Gdy umiemy określać już kolor punktu na ekraniku graficznym, musimy się nauczyć wybierać punkt leżący na określonej współrzędnej. Do tego celu służy port GRI. Punkt graficzny ma dwie współrzędne - poziomą x od 0 do 15 oraz pionową y od 0 do 15. W poniższym przykładzie na ekraniku graficznym umieszczono kilka kolorowych punktów.

punkty te mają następujące współrzędne (x,y):

• biały (12,15)
• czerwony (2,10)
• zielony (5,2)
• niebieski (13,6)

Jeśli współrzędną x i y zapiszemy w systemie dwójkowym, to każda z nich zajmie 4 bity. Bity te łączymy razem w daną 8 bitową i zapisujemy do portu GRI. Na przykład, aby umieścić na ekraniku graficznym punkt czerwony na współrzędnej (2,10) wykonujemy następujące operacje:

1. Przeliczamy współrzędne na system dwójkowy: y = 2₍₁₀₎ = 0010, x = 10₍₁₀₎ = 1010₍₂₎
2. Łączymy współrzędne binarne w daną 8-bitową: 0010 1010 - 00101010₍₂₎ = 2A₍₁₆₎
3. Daną tę umieszczamy w porcie GRI. Spowoduje to udostępnienie w porcie GRP punktu leżącego na tych współrzędnych - odczyt tego portu da nam aktualny kolor punktu, zapis zmieni kolor punktu na ekranie.
4. Obliczamy kod koloru czerwonego : R=F₍₁₆₎, G=0₍₁₆₎, B=0₍₁₆₎, czyli kolor = F00₍₁₆₎
5. Kod ten umieszczamy w porcie GRP. Na współrzędnych (2,10) pojawi się mały czerwony punkcik.

Procesor PMC pozwala na zaadresowanie 1024 komórek pamięci. Szyna adresowa ma długość 10 bitów. Część obszaru adresowego zajęta jest przez rejestry wejścia/wyjścia. Poniżej przedstawiamy logiczną mapę pamięci tego komputera z punktu widzenia procesora

Procesor jest centralnym układem służącym do przetwarzania informacji w PMC. Posiada on całkowitą kontrolę nad magistralą adresową, danych oraz sterującą. Pozostałe elementy PMC, pamięć i porty wejścia/wyjścia muszą się całkowicie podporządkować procesorowi. Protokoły komunikacyjne pomiędzy procesorem a pamięcią opisaliśmy już wcześniej, a teraz nadszedł czas na zajrzenie do środka procesora.

Procesor PMC jest układem 16-bitowym, tzn. w jednej instrukcji potrafi przetworzyć porcję 16 bitów. Aby zachować prostotę PMC, co jest naszym głównym celem, zestaw rozkazów procesora składa się tylko z 16 różnych poleceń, które omówimy dokładnie w dalszej części tego rozdziału. Procesor posiada 10 bitową magistralę adresową. 10 bitów pozwala na zaadresowanie 2¹⁰ komórek pamięci, czyli 1024. Pierwsze 8 adresów (od 0 do 7) zajęte jest jednak przez porty wejścia/wyjścia. Dlatego faktycznie komórek pamięci jest mniej o 8, czyli 1016. Magistrala danych jest 16 bitowa, co pozwala w jednym cyklu dostępu do pamięci lub portów we/wy przesłać 16 bitów informacji binarnej. Do sterowania pamięcią i portami procesor korzysta z magistrali sterującej, która zawiera cztery linie: MEM (wybór pamięci), IO (wybór portów), R (odczyt z pamięci lub portu w zależności od stanu linii MEM i IO) i W (Write - zapisz).

Rejestry procesora PMC

Widok rejestrów procesora na symulatorze PMC

Podstawową funkcją rejestrów jest przechowywanie informacji dla procesora. Rejestry czynnie uczestniczą w operacjach wykonywanych przez procesor. PMC posiada cztery rejestry:

ACR (ACcumulator Register) - 16 bitowy rejestr akumulatora. Wykorzystują go wszystkie operacje arytmetyczne i logiczne do przechowywania jednego z argumentów oraz wyniku. Używany jest również przy przesyłaniu danych pomiędzy różnymi obszarami pamięci oraz pomiędzy pamięcią a portami wejścia/wyjścia.

SPR (Stack Pointer Register) - 4 bitowy rejestr wskaźnika stosu. Stos jest grupą 16 wewnętrznych komórek pamięci o rozmiarze 10 bitów każda. Służy służy do przechowywania adresów powrotnych z podprogramów. Jego funkcję opiszemy dokładnie w dalszej części rozdziału. Wskaźnik stosu wskazuje wolne miejsce na stosie - takie, w którym można coś umieścić. Po wpisaniu danej na stos wskaźnik ten jest zwiększany o 1 i wskazuje następne wolne miejsce. Przy odczycie danych ze stosu wskaźnik najpierw jest zmniejszany o 1, a następnie odczytywana jest lokacja stosu o numerze zawartym we wskaźniku.

PCR (Program Counter Register) - 10 bitowy rejestr licznika rozkazów. Służy on do adresowania komórek pamięci PMC, w których zawarte są wykonywane przez procesor instrukcje. Instrukcja jest pobierana z komórki o adresie w liczniku rozkazów. Po wykonaniu instrukcji procesor zwiększa o 1 zawartość rejestru licznika rozkazów i używa jej do pobrania z pamięci kolejnej instrukcji.

INR (INstruction Register) - 16 bitowy rejestr licznika instrukcji. Procesor pobraną z komórki pamięci instrukcję umieszcza w rejestrze instrukcji. Następnie dekoduje ją i wykonuje.

Cykl rozkazowy procesora PMC

Wskaźnik fazy wykonania polecenia na symulatorze PMC

Każdy procesor (również ten w komputerze IBM czy w Amidze) wykonuje polecenia w kilku cyklach, zwanych również fazami lub taktami. W PMC wszystkie polecenia są wykonywane w trzech fazach, które nazywać będziemy cyklem rozkazowym. Oto one:

	F1 - Pobranie rozkazu. Procesor wysyła na magistralę adresową zawartość rejestru licznika rozkazów - PCR. Powoduje to zaadresowanie komórki pamięci, w której przechowywany jest rozkaz do wykonania. Następnie procesor PMC odczytuje z pamięci instrukcję i umieszcza ją w rejestrze instrukcji INR.
	F2 - Dekodowanie rozkazu. Procesor za pomocą swojej sieci logicznej dekoduje (rozpoznaje) pobraną instrukcję do rejestru INR. W ten sposób procesor przygotowuje się do wykonania polecenia.
	F3 - Wykonanie rozkazu. Po zdekodowaniu instrukcji procesor wie, jakie polecenie zostało pobrane z pamięci. Przystępuje więc do jego wykonania. Najpierw zwiększa o 1 zawartość rejestru PCR, aby wskazywał następną instrukcję w pamięci, która zostanie pobrana w kolejnym cyklu rozkazowym. Jeśli rozkaz wymaga pobrania danych z pamięci, to są one pobierane. Procesor wykonuje operacje zdefiniowane przez kod instrukcji. Jeśli operacja wymaga umieszczenia wyników w pamięci, to zostają one tam umieszczone. Cykl rozkazowy kończy się i następuje przejście do następnego cyklu.

Format instrukcji dla procesora PMC

Instrukcje dla procesora PMC przechowywane są w pamięci operacyjnej, więc mają taką długość w bitach jak komórki, czyli 16 bitów. Bity tworzące instrukcje podzielone są na trzy odrębne pola:

KOD - 4 bitowe pole, które przechowuje kod operacji, którą należy wykonać. Ponieważ do dyspozycji mamy tylko 4 bity, to mogą one przyjąć 16 różnych kombinacji stanów. Stąd procesor PMC potrafi wykonywać jedynie 16 poleceń. Każde polecenie posiada swoją własną kombinację stanów tych bitów.

TAD - 2 bitowe pole, które określa tryb adresowania argumentu lub wyniku operacji, zdefiniowanej w polu KOD. Tryb adresowania jest sposobem dostępu do danej. Ponieważ pole to ma rozmiar dwóch bitów, to mamy do dyspozycji 4 różne tryby adresowania dla każdego polecenia PMC.

ARG - 10 bitowe pole, które przechowuje argument dla operacji. Znaczenie tych bitów zależy od użytego w instrukcji trybu adresowania.

Tryby adresowania

Instrukcje PMC operują nad danymi. Dane te należy pobierać lub przesyłać do pamięci. Sposób dostępu do danych dla określonej instrukcji definiuje tryb adresowania. Informacja dla procesora PMC o użytym w instrukcji trybie adresowania przechowywana jest w polu TAD instrukcji. Pole to ma rozmiar dwóch bitów, mamy zatem cztery różne tryby adresowania. Pole TAD ściśle współpracuje z polem ARG, w którym przechowywane są dane istotne dla trybu adresowania.

Adresowanie natychmiastowe

Pole TAD zawiera bity 00. Jest to najprostszy tryb adresowania - dane zawarte są bezpośrednio w instrukcji w polu ARG i są traktowane jako liczba w kodzie U2 (z wyjątkiem rozkazów skoków, które traktują ARG jak liczbę bez znaku). Ponieważ pole ARG ma rozmiar 10 bitów, więc zakres liczb wynosi od -512 do 511. Jeśli w instrukcji musimy użyć liczb  wykraczających poza zakres, to niestety należy zmienić tryb adresowania na adresowanie komórki pamięci, w której da się już umieszczać liczby 16 bitowe o zakresie -32768 do 32767.

Adresowanie bezpośrednie

Pole TAD zawiera bity 01. W trybie tym pole ARG jest adresem komórki pamięci lub portu wejścia/wyjścia, w których znajdują się dane dla instrukcji PMC. 10 bitowe pole ARG traktowane jest jako liczba bez znaku. Zakres adresów obejmuje cały obszar adresowy PMC - od 0 do 1023. Tryb ten pozwala pobierać dane z pamięci PMC oraz umieszczać wyniki obliczeń we wskazanych komórkach lub portach. O tym, czy będzie to pobranie danych, czy umieszczenie ich w pamięci decyduje rodzaj instrukcji, której kod zdefiniowano w polu KOD.

Adresowanie pośrednie z postinkrementacją

Pole TAD zawiera bity 10. Ten tryb adresowania jest początkowo trudny do zrozumienia. W polu ARG umieszczony jest adres komórki pamięci PMC. W adresowanej komórce znajduje się adres danych. Dlatego tryb ten nosi adresowania pośredniego - dane adresujemy za pośrednictwem komórki pamięci zawierającej właściwy adres. Komórkę zawierającą taki adres nazywamy wskazaniem (ang. pointer). Postinkrementacja oznacza zwiększenie o 1 adresu zawartego w komórce po wykonaniu instrukcji zawierającej ten tryb adresowania. Działanie trybu pośredniego z postinkrementacją jest zatem następujące:

1. Procesor pobiera zawartość komórki wskazanej przez pole ARG instrukcji.
2. Pobrany adres jest wykorzystywany do dostępu do danych w pamięci PMC.
3. Pobrany adres jest zwiększany o 1 (wskazuje następną daną w pamięci) i umieszczany w komórce wskazywanej przez pole ARG instrukcji.

Tryb pośredni umożliwia adresowanie kolejnych komórek pamięci PMC. Załóżmy, iż we fragmencie pamięci umieszczono następujące dane:

Załóżmy teraz, iż pewna instrukcja odczytuje pamięć za pomocą trybu pośredniego z postinkrementacją, w którym w polu ARG umieszczono adres komórki 11 przechowującej adres początku danych. Instrukcja ta może wyglądać tak:

Pierwsze wykonanie tej instrukcji da w wyniku daną o wartości 10. Zawartość komórki 11 zostanie zwiększona i będzie wynosić teraz 9 - wskazuje komórkę zawierającą liczbę 20. Drugie wykonanie takiej samej instrukcji spowoduje pobranie z pamięci liczby 20, a komórka 11 zwiększy swą zawartość na 10. Kolejne wykonanie instrukcji pobierze z pamięci liczbę 100, komórka 11 zwiększy zawartość na 11.

Tryb adresowania pośredniego z postinkrementacją jest szczególnie przydatny do adresowania kolejnych elementów tablic przechowywanych w ciągłych obszarach pamięci PMC oraz do tworzenia struktur stosowych.

Adresowanie pośrednie z predekrementacją

Pole TAD zawiera bity 11. Jest to ostatni tryb adresowania stosowany przez procesor PMC. W działaniu jest bardzo podobny do poprzedniego trybu. Pole ARG zawiera adres komórki ze wskazaniem. Wskazanie to zostanie użyte przy dostępie do właściwych danych w pamięci PMC. Predekrementacja oznacza zmniejszenie o 1 przed wykonaniem instrukcji. Działanie trybu z predekrementacją jest następujące:

1. Procesor pobiera zawartość komórki o adresie podanym w polu ARG.
2. Pobrany adres zostaje zmniejszony o 1.
3. Tak zmodyfikowany adres zostaje wykorzystany przy dostępie do danych.
4. Po wykonaniu instrukcji procesor umieszcza zmodyfikowany adres w komórce podanej w polu ARG instrukcji.

Tryb adresowania pośredniego z predekrementacją nadaje się do adresowania tablic od ostatniego elementu - niektóre algorytmy wymagają takiego podejścia.

Instrukcje procesora PMC

Kod operacji do wykonania przez procesor PMC zawarty jest w 4 bitowym polu KOD. Cztery bity mogą przyjmować 16 różnych kombinacji stanów. Każdy z tych stanów oznacza jedną instrukcję PMC. Instrukcje te są następujące: