Oefeningen Interpretatie I Reeks 6 : Registermachines

Transcriptie

1 Oefeningen Interpretatie I Reeks 6 : Registermachines Deze oefeningenreeks behandelt het beschrijven van computationele processen aan de hand van registermachineprogrammaʼs. Registermachines manipuleren instructie voor instructie een beperkt aantal geheugenplaatsen of registers. Alhoewel de resulterende procesbeschrijvingen op traditionele machinetaal voor een microprocessor lijken, hebben we in de hoorcolleges in weze telkens een op maat gemaakte microprocessor ontworpen. In deze oefeningen zitting gaan we dit opnieuw doen maar nu met echte hardware. Deze is erg beperkt en ondersteund maar een minimale set van instructies. Microprocessor geheugen. Naast de registers die we gezien hebben in de hoorcolleges bevat deze microprocessor een geheugen. Dit geheugen wordt gebruikt voor een aantal dingen die we reeds gezien hebben, zo wordt bijvoorbeeld de stack en de constanten hierin bijgehouden. Het geheugen wordt echter ook gebruikt om te communiceren met de buitenwereld. Naar het geheugen schrijven doe je met de write operatie. Deze operatie verwacht twee argumenten, een register en een constante. Als de operatie uitgevoerd wordt de waarde in het register weggeschreven naar de locatie in het geheugen aangegeven door de constante. Een abstract voorbeeld van het schrijven van de waarde in het register reg_1 naar geheugen locatie C is hieronder weergegeven alsook het overeenkomstige data pad. Elke geheugen locatie is 8 bit waardoor de maximale waarde die je kan wegschrijven 255 is. (perform (op write) (reg reg_1) (const C)) REG_1 C Geheugen Write X C C Een analoge functie read laat het toe om een waarde te lezen van het geheugen. Communicatie met de buitenwereld. Een microprocessor heeft een aantal poorten net zoals je computer bijvoorbeeld een aantal usb poorten heeft. Elk van deze poorten heeft een aantal pinnen. De microcontroller die gebruikt wordt in de les laat het bovendien toe om deze pinnen te lezen of te schrijven. Daarom moeten we de controller eerst inlichten (door naar het geheugen te schrijven) voor welke functionaliteit we de individuele pinnen willen gebruiken. Elke poort is gelinkt in het geheugen met een aantal geheugen adressen die de functionaliteit van de poorten en de individuele pinnen manipuleert. Zulke geheugen adressen die gebruikt worden om poorten of andere functionaliteit

2 van de microcontroller te manipuleren worden vaak ook registers genoemd. Naar zulke registers kan je echter niet schrijven met de gebruikelijke assign zoals gezien in de hoorcolleges. Voor deze registers moet je de write operatie gebruiken zoals gezien in de eerste sectie. De twee geheugen adressen die we nodig zullen hebben in deze les zijn het data directie register (DDR) en het poort register (PORT). Het eerste register, DDR dient om aan te duiden of we een pin gaan gebruiken om te lezen of te schrijven. Terwijl het tweede register PORT gebruikt wordt om de pinnen een waarde toe te kennen. Elke bit in deze registers komt overeen met een pin. Voor het DDR register duidt een 1 aan dat de pin gebruikt wordt om te schrijven terwijl een 0 aanduidt dat de pin gebruikt zal worden om te lezen. In het PORT register duidt een 1 aan dat de pin op een hoog signaal gezet is terwijl een 0 aanduidt dat de pin op laag signaal staat. Communicatie in de praktijk Nu we gezien hebben hoe we poorten en pinnen kunnen manipuleren door te schrijven naar geheugen adressen kunnen we dit omzetten naar de praktijk door een ledje te doen branden. Tijdens de les krijgen jullie allemaal een ledje en wordt er uitgelegd hoe je het ledje moet verbinden met de microprocessor. Het ledje is verbonden op poort B met pin 13. Om poort B te manipuleren zijn er twee overeenkomstige registers om deze te controleren, DDRB en PORTB. In een eerste stap dienen we aan te duiden in het DDRB register dat we pin 13 als output wensen te gebruiken. Dit doen we door bit 5 in het DDRB register hoog te maken, i.e. we schrijven de waarde 32 naar het DDRB register (32 is binair ʻ ʼ). De tweede stap is om de pin zelf hoog te maken. Dit doen we analoog door de waarde 32 naar het PORT register te schrijven. Na uitvoering van deze instructie zal het ledje branden. De code en een diagram van de geheugen aderessen is hieronder weergegeven. DDRB PORTB pin 13 Led uit GND DDRB PORTB pin 13 Led uit GND DDRB PORTB pin 13 Led aan GND (perform (op write) (reg val_1) (const,ddrb)) (perform (op write) (reg val_1) (const,portb)) Door ander geheugen adressen te manipuleren is het ook mogelijk om karakters te versturen over usb naar de computer. De code om een enkel karakter door te sturen krijgen jullie en wordt uitgelegd in de opgave van de oefeningen.

3 De registermachine-assembler De op maat ontworpen registermachines programmaʼs kunnen getest worden in de hardware. De benodigde bestanden voor deze simulator vind je terug op point carré. De assembler wordt geladen door het bestand RMassembler.scm (uit het zip-archief) te evalueren in DrScheme v3.72. De procedure (assemble-and-run program) vertaalt het programma naar machine code voor de microcontroller en programmeert de microcontroller met het nieuwe programma. (assemble-and-run `((register val_1) (perform (op write) (reg val_1) (const,ddrb)) (perform (op write) (reg val_1) (const,portb)))) Gemeenschappelijke registermachinetaal-instructies Bovenstaande registermachine programma zal het ledje doen branden. Het registermachineprogramma doet hiervoor een beroep op de speciaal voorziene operatie write. Verder bestaat dit programma uit instructies die gedeeld worden met andere registermachineprogrammaʼs. De beschikbare instructies zijn: (register <register-name>) (assign <register-name> (reg <register-name>)) (assign <register-name> (const <constant-value>)) (assign <register-name> (op <operation-name>) <input1>... <inputn>) (perform (op <operation-name>) <input1>... <inputn>) (test (op <operation-name>) <input1>... <inputn>) (branch (label <label-name>)) (goto (label <label-name>)) (assign <register-name> (label <label-name>)) (goto (reg <register-name>)) (save <register-name>) (restore <register-name>) In het boek wordt uit de doeken gedaan hoe programmaʼs geschreven in deze taal een mogelijke hardware-implementatie van de registermachine beschrijven.

4 Registermachineprogrammaʼs Oefening 1 De enige vorm van communicatie van de microcontroller met de computer bestaat uit het printen van individuele karakters. Elke karakter heeft een numerieke waarde die je kan opzoeken in de ascii tabel (zie einde van dit document). Om een karakter door te sturen is er reeds code voorzien. Om bijvoorbeeld karakter met numerieke waarde 64 af te printen kan je bijvoorbeeld volgende code gebruiken. Transmit, verwacht de te printen waarde in het val_1 register en springt na het printen naar het label in het continue register. start " (assign val_1 (const 64)) (assign continue (label loop)) (goto (label transmit)) loop " (goto (label loop)) Oefening 2 Spijtig genoeg kan het arduino bordje geen getallen delen. Ontwerp een registermachine die het toelaat analoog aan volgende Scheme-procedure om de gehele deling van twee getallen uit te voeren: (define (start-divide val_1 val_2) " (define (divide-loop result val_1 val_2) " " (if (< val_1 val_2) " " " result " " " (divide-loop (+ result 1) (- val_1 val_2) val_2))) " (divide-loop 0 val_1 val_2)) Test je code met de volgende register machine code: start (assign val_1 (const 192)) (assign continue (label print)) (assign val_2 (const 3)) (goto (label start-divide)) print (assign val_1 (reg result)) (assign continue (label loop)) (goto (label transmit)) loop (goto (label loop)) Als je code correct is zal je zien dat er opnieuw geprint is:

5 " " Oefening 3 Ontwerp een registermachine die factorial analoog aan volgende iteratieve Scheme-procedure implementeert, gebruik de transmit operatie om je resultaat te printen: (define (factorial n) " (define (iter product counter) " " (if (< n counter) " " " product " " " (iter (* counter product) (+ counter 1)))) " (iter 1 1)) Oefening 4 Ontwerp een registermachine die machtsverheffing analoog aan volgende iteratieve Schemeprocedure implementeert, gebruik de transmit operatie om je resultaat te printen: (define (expt b n) " (define (expt-iter counter product) " " (if (= counter 0) " " " product " " " (expt-iter (- counter 1) (* b product)))) " (expt-iter n 1)) Oefening 5 Ontwerp een registermachine die de machtsverheffing analoog aan volgende recursieve Scheme-procedure implementeert, gebruik de transmit operatie om je resultaat te printen: (define (expt b n) " (if (= n 0) " " 1 " " (* b (expt b (- n 1))))) Oefening 6 Ontwerp een registermachine die de fibonacci analoog aan volgende recursieve Scheme-procedure implementeert, gebruik de transmit operatie van de vorige oefening om je resultaat te printen: (define (fib n) (if (< n 2) n (+ (fib (- n 1)) (fib (- n 2)))))

6 Oefening 7 Ontwerp print-getal een subprogramma dat nummers print als karakters, de te printen waarde wordt verwacht in het val_1 register en na het printen wordt er naar het label in het continue register gesprongen. start " (assign val_1 (const 64)) (assign continue (label loop)) (goto (label print-getal)) loop " (goto (label loop)) > 64 Je kan inspiratie putten uit het volgende scheme programma, merk op dat de microcontroller geen deling operatie heeft. Gebruik dan ook de divide zoals je deze in oefening 2 hebt geïmplementeerd. (define (print-getal val_1) (define (print val_1 y tal) (if (< val_1 tal) (begin (transmit (+ y 48)) (if (< 1 tal) (print val_1 0 (/ tal 10)))) (print (- val_1 tal) (+ y 1) tal))) (print val_ ))

7 Ascii Tabel