Dans ce TD nous allons travailler sur un exemple. Les choix que nous ferons seront très simplifiés par rapport à une machine réelle. Mais les principes rencontrés sont valables. Une vraie machine contient seulement beaucoup plus de circuits, beaucoup plus de connexions et on y ajoute tout un tas d'astuces pour optimiser les performances.

Dans ce cours, nous avons étudié comment, à partir de simples circuits logiques, fabriquer une mémoire, orienter des données sur un bus, produire des séquences de signaux. Nous allons pousser tout cela un peu plus loin ici.

Nous utiliserons Logisim. Vous pourrez toujours entrer dans les circuits pour voir ce qu'ils contiennent.

La mémoire contient les données et le programme. Ici nous choisissons :

• Des données sur 8 bits,
• Des adresses sur 5 bits également – Nous n'aurons donc que $2^5 = 32$ octets en mémoire !
• La mémoire comme toute la machine est cadencée par une horloge CLK.
  Les changements opèrent quand CLK a un front montant (passe de 0 à 1)
• sel permet d'activer la mémoire, soit en lecture soit en écriture
• ld met la mémoire en lecture (Mémoire vers BUS). ld = 0, signifie qu'on est dans l'autr sens (BUS vers mémoire)

L'UAL est le circuit qui fait les calculs. On attend d'un microcontrôleur qu'il sache faire des calculs comme l'addition, la soustraction, le OU, le ET, le NON. Un composant plus performant comme un microprocesseur pourra en faire plus, comme la multiplication.

Notre UAL contient un registre ACC – Accumulateur. Tous les calculs stockent leur résultat dans ACC. Il contient également un registre temporaire W – Work.

Voici ce que sait faire notre UAL :

• WR : Lit le BUS et l'écrit dans W,
• ADD : additionne les valeurs de W et ACC et stocke le résultat dans ACC,
• SUB : calcule ACC - W et stocke le résultat dans ACC,
• LD : (LOAD) charge W dans ACC
• RD : écrit ACC sur le BUS

Par ailleurs l'UAL transmet des informations sur ACC :

• si UAL = 0
• si UAL > 0

On définit ce que notre machine saura faire. Pour chaque instruction, l'unité de commande (UC) devra savoir quoi faire.

Nous choisissons qu'une instruction fera toujours 1 octet. Voici les instructions que nous voulons avoir :

• HLT : halt, le programme s'arrête.
  code : 000xxxxx
• ADD : addition, l'UC demande une addition à l'UAL.
  code : 001@@@@@
@@@@@ représente l'adresse d'une case mémoire. Le contenu de cette case est chargé dans W de UAL.
• SUB : soustraction, l'UC demande une soustraction.
  code : 010@@@@@
• LDA : chargement, l'UC demande de charger une valeur de la mémoire dans ACC
  code : 011@@@@@
• STO : stockage, l'UC demande l'écriture de ACC dans un case mémoire
  code : 100@@@@@
• BRA : branchement, l'UC change la valeur de la ligne d'exécution en cours
  code : 101#####
##### représente le nouveau numéro de ligne
• BRZ : branchement si zéro. Même chose que le précédent mais à condition que ACC = 0
  code : 110#####
• BRP : branchement si positif. Même chose que le précédent mais à condition que ACC > 0
  code : 111#####

6A 2B 8C 00 00 00 00 00   00 00 05 03 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00   00 00 00 00 00 00 00 00

En plus des registres W et ACC dans l'UAL, nous utiliserons 3 registres très importants :

• Registre d'adresse R@ : contient l'adresse de la case mémoire en cours de lecture.
• Registre instruction RI : contient l'instruction en cours d'exécution.
• Pointeur de ligne (Program Counter) PC : contient le numéro de la prochaine ligne programme
  Cette ligne correspond à la case mémoire de même numéro.
  Comme le fonctionnement basique est de passer à la ligne suivante, ce registre est doté d'une commande +1.

L'unité de commande (UC) se charge, en fonction de l'instruction en cours, de produire la suite de signaux nécessaires à l'exécution de cette instruction.

Vous pouvez constater que l'UC pilote tous les organes avec les signaux RD, WR…

Le graphique ci-dessous décrit la totalité du fonctionnement de l'UC.

Ce diagramme décrit une machine à état. Chaque cercle jaune représente un état.

• L'UC commence dans l'état 0,
• à chaque front d'horloge, l'état change selon les chemins (transitions) représentés par les flècles,
• dans certains cas, plusieurs chemins quittent un état. La machine emprunte alors le seul chemin possible selon le cas (des conditions sont précisées surs ces transitions)
• dans les états, on précise ce que doit faire la machine.
  Par exemple, dans l'état 1 il faut faire le transfert MEM → RI et aussi incrémenter PC (faire +1)
• Pour mémoriser l'état dans lequel est la machine, on utilise des mémoires. Ici 4 mémoires $Q_3Q_2Q_1Q_0$ suffisent. Par exemple pour l'état 5, on a $Q_3Q_2Q_1Q_0 = 0101$

Chargez vonneumann.circ et ouvrez-le avec logisim.

Pour simuler, choisissez l'outil avec la main (en haut à gauche) puis appuyez sur le bouton RESET une fois.

Ensuite, vous ferez avancer la simulation pas à pas en faisant des tops d'horloge. Pour cela vous pouvez par exemple faire CTRL+T au clavier ce qui change l'état de l'horloge. La simulation avance chaque fois que l'horloge passe de 0 à 1.