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Praktikum Rechnerarchitekturen 1.tex
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\begin{document}
\pagenumbering{roman}
\titlehead
{
\small
{
Technische Universität Ilmenau\\
Fakulät IA\\
Fachgebiet Rechnerarchitektur\\
Praktikum Rechnerarchitektur 1\\
WS 2021/22}
}
\title {Versuchsprotokoll}
\subtitle{Versuche zur x86-Assemblerprogrammierung}
\author{}
\date{16.11.2021\\*[60pt]}
\maketitle %Erstellt das Titelblatt wie oben definiert
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\fancyhead[R]{Praktikumsbericht: RA1}
\pagenumbering{arabic}
\newpage
\section*{A1: Lauflicht}
Versuchsaufbau anhand einfacher Assemblerprogramme. Benutze parallele digitale Ein- und Ausgabebaugruppen, die mit den LED-Reihen, der Tasten- und der Schalterreihe sowie den Sieben-Segment-Anzeigen verbunden sind.
\subsection*{Grundaufgabe a: Funktionen ermitteln}
\begin{lstlisting}
; Programmbereich:
anf: MOV EDX,400000H ;Groessee der Verzoegerung
MOV [verzoe],EDX ;Verzoegerung speichern
m1: MOV EDI,10 ;EDI=10
MOV ESI,OFFSET ziff ;Adresse von ziff in ESI
m2: MOV AL,[ESI+EDI-1] ;AL=ziff+9
OUT 0B0H,AL ;SiebenSegment schreibt AL
CALL zeit ;warten
DEC EDI ;EDI=EDI-1
JNZ m2 ;if(EDI!=0) goto m2
MOV AL,0FFH ;AL=255 (dec)
m3: OUT 5CH,AL ;LED Reihe links schreiben
NOT AL ;AL negieren
OUT 5DH,AL ;LED Reihe rechts schreiben
CALL zeit ;warten
MOV BL,AL ;Inhalt von AL wird noch gebraucht
IN AL,59H ;Tastenreihe rechts lesen auf AL
BT EAX,7 ;Bit 7 von EAX in Carry Flag
MOV AL,BL ;AL bekommt alten Wert zurueck
JC m1 ;if(m1==0) goto m1
JMP m3 ;goto m3 (Loop)
;zeit ist ein Unterprogramm, welches nur Zeit verbrauchen soll:
zeit: MOV ECX,[verzoe] ;Lade wartezeit
z1: DEC ECX ;ECX=ECX-1
JNZ z1 ;if(ECX!=0) goto z1
RET ;zurueck zum Hauptprogramm
; Datenbereich:
verzoe DD ? ;Eine Speicherzelle (Doppelwort)
ziff DB 3FH,03H,6DH,67H,53H,76H,7EH,23H,7FH,77H
\end{lstlisting}
\begin{description}
\item[anf] setzt die Länge der Wartezeit
\item[m1] Lädt Register
\item[m2] Zählt auf Sieben Segment Anzeige
\item[m3] schreibt auf LED Reihe links und invertierend rechts
\item[zeit] Verbraucht Zeit nach "verzoe"
\end{description}
\subsection*{Grundaufgabe b}
\subsubsection*{einfaches Lauflicht}
auf der rechten LED-Reihe soll ein sichtbarer Lichtpunkt von links nach rechts laufen und immer wieder von links beginnen
\begin{lstlisting}
anf: MOV EDX,400000H
MOV [verzoe],EDX
MOV AL, 80H ;Startwert fuer LED Reihe
lauf: OUT 5CH, AL ;Wert auf LED Reihe schreiben
CALL zeit ;warten
ROR AL, 1 ;Bits um 1 nach rechts
JMP lauf ;Schleife wiederholen
zeit: MOV ECX,[verzoe]
z1: DEC ECX
JNZ z1
RET
\end{lstlisting}
\subsubsection*{Lauflicht mit Geschwindigkeitsumschalter}
das Lauflicht soll durch den linken Schalter zwischen "schnell" (Schalter oben) und "langsam" (Schalter unten) umschalten
\begin{lstlisting}
anf: MOV Al, 80H
lauf: MOV EDX, 400000H ; Wert fuer "langsam"
MOV [verzoe], EDX ;"langsam" in Speicher
OUT 5CH, AL ;LED Reihe schreiben
MOV BL, AL ;AL speichern
IN AL, 58H ;Schalter einlesen
BT AL, 7 ;7. Bit von AL in Carry Flag
JNC langsam ;Carry Flag = 0, schalter unten
MOV EDX, 200000H ; Wert fuer "schnell"
MOV [verzoe], EDX ;"schnell" in Speicher
CMC ;Carry Flag umschalten (0)
langsam: CALL zeit ;warten
MOV AL, BL ;AL aus speicher zurueck
ROR AL,1 ;Bits um 1 nach rechts
JMP anf ;Schleife wiederholen
zeit: MOV ECX,[verzoe]
z1: DEC ECX
JNZ z1
RET
\end{lstlisting}
\subsubsection*{Lauflicht verändert Richtung}
zusätzlich zum oben implementierten soll die Bewegungsrichtung des Lichtpunktes durch den rechten Schalter der Schalterreihe zwischen "nach links" und "nach rechts" wechseln.
\begin{lstlisting}
anf: MOV Al, 80H
lauf: MOV EDX, 400000H ; Wert fuer "langsam"
MOV [verzoe], EDX ;"langsam" in Speicher
OUT 5CH, AL ;LED Reihe schreiben
MOV BL, AL ;AL speichern
IN AL, 58H ;Schalter einlesen
BT AL, 7 ;7. Bit von AL in Carry Flag
JNC langsam ;Carry Flag = 0, Schalter unten
MOV EDX, 200000H ; Wert fuer "schnell"
MOV [verzoe], EDX ;"schnell" in Speicher
CMC ;Carry Flag umschalten
langsam: CALL zeit ;warten
MOV AL, BL ;AL aus speicher zurueck
BT AL, 0 ;0. Bit von AL in Carry Flag
JNC rechts ;Carry Flag = 1; Schalter oben
ROL AL,1 ;Bits um 1 nach links
CMC ;Carry Flag umschalten (0)
JMP anf ;Schleife wiederholen
rechts: ROR AL, 1 ;Bits um 1 nach rechts
JMP anf ;Schleife wiederholen
zeit: MOV ECX,[verzoe]
z1: DEC ECX
JNZ z1
RET
\end{lstlisting}
\subsubsection*{Lauflicht mit Invertierung}
durch drücken einer beliebigen Taste der blauen Tastenreihe wird die Anzeige invertiert, d.h. der Lichtpunkt ist dunkel etc. Invertierung nur solange die Taste gedrückt wird.
\begin{lstlisting}
anf: MOV Al, 80H
lauf: MOV EDX, 400000H ; Wert fuer "langsam"
MOV [verzoe], EDX ;"langsam" in Speicher
MOV BL, AL ;Kopie von AL anlegen
IN AL, 59H ;Tastenreihe einlesen
AND AL, FFH ;UND Operation mit FF
JZ nopress ;kein Schalter gedrueckt
NOT BL ;BL invertieren
MOV AL, BL ;AL ueberschreiben
nopress: OUT 5CH, AL ;LED Reihe schreiben
IN AL, 58H ;Schalter einlesen
BT AL, 7 ;7. Bit von AL in Carry Flag
JNC langsam ;Carry Flag = 0, Schalter unten
MOV EDX, 200000H ; Wert fuer "schnell"
MOV [verzoe], EDX ;"schnell" in Speicher
CMC ;Carry Flag umschalten
langsam: CALL zeit ;warten
MOV AL, BL ;AL aus speicher zurueck
BT AL, 0 ;0. Bit von AL in Carry Flag
JNC rechts ;Carry Flag = 1; Schalter oben
ROL AL,1 ;Bits um 1 nach links
CMC ;Carry Flag umschalten (0)
JMP anf ;Schleife wiederholen
rechts: ROR AL, 1 ;Bits um 1 nach rechts
JMP anf ;Schleife wiederholen
zeit: MOV ECX,[verzoe]
z1: DEC ECX
JNZ z1
RET
\end{lstlisting}
\subsection*{Zusatzaufgabe}
Erweiterungen des Programms nach eigenen Ideen:
\begin{itemize}
\item symetrische LED Reihe zur Mitte
\item Sieben Segment zählt 9 Schritte mit
\end{itemize}
\begin{lstlisting}
anf: MOV Al, 80H
MOV EDI, 0
MOV ESI, OFFSET ziff
lauf: MOV EDX, 400000H ; Wert fuer "langsam"
MOV [verzoe], EDX ;"langsam" in Speicher
MOV BL, AL ;Kopie von AL anlegen
IN AL, 59H ;Tastenreihe einlesen
AND AL, FFH ;UND Operation mit FF
JZ nopress ;kein Schalter gedrueckt
NOT BL ;BL invertieren
MOV AL, BL ;AL ueberschreiben
nopress: OUT 5CH,AL ;LED Reihe links schreiben
NOT AL ;AL negieren
OUT 5DH,AL ;LED Reihe rechts schreiben
MOV BH,[ESI+EDI-1] ;Sieben Segment berechnen
OUT 0B0H,BH ;Sieben Segment schreiben
DEC EDI ;Sieben Segment runterzaehlen
JZ timer ;Timer auf 0 setzen
IN AL, 58H ;Schalter einlesen
BT AL, 7 ;7. Bit von AL in Carry Flag
JNC langsam ;Carry Flag = 0, Schalter unten
MOV EDX, 200000H ; Wert fuer "schnell"
MOV [verzoe], EDX ;"schnell" in Speicher
CMC ;Carry Flag umschalten
langsam: CALL zeit ;warten
MOV AL, BL ;AL aus speicher zurueck
BT AL, 0 ;0. Bit von AL in Carry Flag
JNC rechts ;Carry Flag = 1; Schalter oben
ROL AL,1 ;Bits um 1 nach links
CMC ;Carry Flag umschalten (0)
JMP anf ;Schleife wiederholen
rechts: ROR AL, 1 ;Bits um 1 nach rechts
JMP anf ;Schleife wiederholen
timer: MOV BH, 0FFH
RET
zeit: MOV ECX,[verzoe]
z1: DEC ECX
JNZ z1
RET
\end{lstlisting}
\newpage
\section*{A2: Timerbaustein}
Arbeite mit einem programmierbaren Interfacebaustein, der über eigene Register angesprochen wird. Als Beispiel dient ein Programmierbarer Intervalltimer (PIT, auch als „Zähler-Zeitgeber-Baustein“ oder „Timerbaustein“ bezeichnet) vom Typ 8254.
\begin{center}
\begin{tabular}{| l | c | c | c | c | c | c | c | c | }
\hline
\multicolumn{9}{|c|}{Frequenzen der C-Dur Tonleiter} \\
\hline
\hline
Ton & c' & d' & e' & f' & g' & a' & h' & c'' \\\hline
f(Hz) & 261,6 & 293,7 & 329,6 & 349,2 & 392,0 & 440,0 & 493,9 & 523,2 \\\hline
Zählkonstante & 7662 & 6825 & 6079 & 5730 & 5102 & 4545 & 4056 & 3824 \\\hline
Freq(Hex) & 1DEEH & 1AA9H & 17BFH & 1662H & 13EEH & 11C1 & FD8H & EF0H \\\hline
\end{tabular}
\end{center}
\subsection*{Grundaufgabe a}
Der Kanal 0 des Timerbausteins soll als programmierbarer Frequenzgenerator benutzt werden. Dazu wird die Betriebsart „Mode 3“ verwendet (Frequenzteiler mit symmetrischer Rechteckschwingung am Output). Die Output-Frequenz soll 440 Hz betragen. Als Input benutzen Sie den eingebauten 2-MHz-Generator.
$$\text{Zählkonstante: } \frac{2 MHz}{440 Hz} = 4545,4545 = (11C1)_{16}$$
\begin{lstlisting}
MOV AL, 36H; Steuerbyte 00110110
OUT 57H, AL
MOV AL, 0C1H; LSB
OUT 54H, Al
MOV AL, 011H; MSB
OUT 54H, AL
\end{lstlisting}
\subsection*{Grundaufgabe b}
Schalten Sie die Tonausgabe zunächst wieder ab und erweitern Sie das Programm um die Initialisierung der PIT-Kanäle 1 und 2. Die am Output des Kanals 2 angeschlossene LED soll mit einer Periodendauer von 0,5s blinken. Es ist wiederum Mode 3 zu benutzen. Da beide Kanäle hintereinander geschaltet (kaskadiert) sind, müssen Sie die benötigte Frequenzteilung auf beide Kanäle aufteilen. Außer der LED haben Sie diesmal keine weitere Kontrollmöglichkeit.
$$\text{Zählkonstante: } \frac{2 MHz}{2 Hz} /2 = 1000000 / 2 = 500000$$
\begin{lstlisting}
MOV AL, 0B6H; Kanal 2
OUT 57H, AL
MOV AL, 0FFH
OUT 56H, AL
MOV AL, 0FFH
OUT 56H, AL
MOV AL, 076H ;Kanal 1
OUT 57H, AL
MOV AL, 0FFH
OUT 55H, AL
MOV AL, 0FFH
OUT 56H, AL
\end{lstlisting}
\subsection*{Grundaufgabe c}
Die Tonausgabe von Kanal 0 wird wieder eingeschaltet. Sie soll jetzt aber nur noch dann aktiv sein, wenn gerade eine beliebige Taste in der blauen Tastenreihe gedrückt ist. Dazu müssen Sie in der Endlosschleife des Programms eine entsprechende Abfrage einbauen.
\begin{lstlisting}
noton: MOV AL, 59H
OUT 57H, AL
taste: IN AL, 59H
AND AL, 0FFH
JZ noton ;keine taste gedrueckt
JMP ton
ton: MOV AL, 0C1H
OUT 54H, AL
MOV AL, 011H
OUT 54H, AL
JMP taste
\end{lstlisting}
\subsection*{Fortgeschrittene Aufgabe d}
Erweitern Sie das Programm dann so, dass den einzelnen Tasten unterschiedliche Frequenzen zugeordnet sind. Es wird angenommen, dass nicht mehrere Tasten gleichzeitig gedrückt werden. Das Blinken der LED von Aufgabe b) soll weiterhin funktionieren.
\begin{lstlisting}
noton: MOV AL, 59H
OUT 57H, AL
taste: IN AL, 59H
MOV BL, AL
AND AL, 0FFH
JZ noton ;keine taste gedrueckt
MOV AL, BL
AND AL, 001H ; Taste A
JNZ tonA
MOV AL, BL
AND AL, 003H ; Taste B
JNZ tonB
MOV AL, BL
AND AL, 004H ;Taste C
JNZ tonC
JMP taste
tonA: MOV AL, 0C1H
OUT 54H, AL
MOV AL, 011H
OUT 54H, AL
JMP taste
tonB: MOV AL, 008H
OUT 54H, AL
MOV AL, 0FDH
OUT 54H, AL
JMP taste
tonC: MOV AL, 000H
OUT 54H, AL
MOV AL, 0EFH
OUT 54H, AL
JMP taste
\end{lstlisting}
\newpage
\section*{A3: Matrixtastatur}
Eine 4x4 Matrixtastatur ist über Zeilen- und Spaltenleitungen verbunden. Um eine gedrückte Taste zu erkennen müssen alle Zeilen nacheinander abgefragt werden. Bei jedem Abfrageschnitt erhält man die Information über die gedrückten Tasten jeweils einer Zeile.
\subsection*{Grundaufgabe a}
Alle Zeilen der Matrix je einmal abfragen und zurückkehren. Falls eine gedrückte Taste erkannt wurde, soll in einem gewählten Byteregister eine von Null verschiedene Tastennummer übergeben werden. Dies geschieht mit dem Unterprogramm \textit{matr}.
Wie \textit{matr} soll das Unterprogramm \textit{wmatr} alle Zeilen der Matrix abfragen aber erst beim Erkennen eines Tastendrucks zurückkehren. Das bedeutet, dass es das Drücken einer Taste abwartet und dann deren Nummer übergibt.
Zur Durchführung sollen die Unterprogramme nacheinander in einem Hauptprogramm aufgerufen werden. Das Hauptprogramm selbst soll in einer "ewigen" Schleife arbeiten und die erkannte Tastennummer binär auf einer der LED-Zeilen anzeigen.
\begin{lstlisting}[caption=aufgabe 3a]
main:
CALL wmatr ; Tasten abfragen
MOV AL, BL ; Ausgabe vorbereiten
OUT 5Dh, AL ; Bits auf LED-Port
JMP main ; Schleife
matr:
IN AL, 5Ah ; Zeile einlesen
MOV BL, AL ; in Register B
SHL BL, 4 ; Bits nach oben schieben
IN AL, 5Bh ; Spalte einlesen
OR BL, AL ; Spalten & Zeilen zusammenfassen
RET
wmatr:
CALL matr ; Tasten abfragen
JNZ wmatr ; weiter wenn keine Taste gedrueckt
wloop: CALL matr ; Taste abfragen
JZ wloop ; weiter wenn Taste gedrueckt
RET
\end{lstlisting}
\subsection*{Grundaufgabe b}
\begin{multicols}{2}
Realisiere ein Programm, das die jeweils gedrückte Ziffer in lesbarer Darstellung auf der linken Stelle der Sieben-Segment-Anzeigen anzeigt.
Tastaturbelegung:
\begin{center}
\begin{tabular}{c|c|c|c}
0 & 1 & 2 & 3 \\
4 & 5 & 6 & 7 \\
8 & 9 & - & - \\
- & - & - & -
\end{tabular}
\end{center}
\end{multicols}
\begin{lstlisting}[caption=aufgabe 3b]
MOV DX, 0BBh ; Startwertpointer 7Seg.Anzeige
anf:
CALL wmatr ; Tasten abfragen
CALL ziff ; Ziffern abfragen
CALL anz ; Ausgabe auf Anzeige
JMP anf
matr:
IN AL, 5Ah ; Zeile einlesen
MOV BL, AL ; in Register B sichern
SHL BL, 4 ; Bits nach oben schieben
IN AL, 5Bh ; Spalte einlesen
OR BL, AL ; Spalten & Zeilen in Byte zusammenfassen
RET
wmatr:
CALL matr ; Tasten abfragen
JNZ wmatr ; weiter wenn keine Taste gedrueckt
w2: CALL matr ; Taste abfragen
JZ w2 ; weiter wenn Taste gedrueckt
RET
ziff:
CMP BL, 17h
JNC z1
MOV BH, 3Fh
RET
z1: CMP BL, 18h
JNC z2
MOV BH, 03h
RET
z2: CMP BL, 20h
JNC z3
MOV BH, 6Dh
RET
z3: CMP BL, 24h
JNC z4
MOV BH, 67h
RET
z4: CMP BL, 33h
JNC z5
MOV BH, 53h
RET
z5: CMP BL, 34h
JNC z6
MOV BH, 76h
RET
z6: CMP BL, 36h
JNC z7
MOV BH, 7Eh
RET
z7: CMP BL, 40h
JNC z8
MOV BH, 23h
RET
z8: CMP BL, 65h
JNC z9
MOV BH, 7Fh
RET
z9: CMP BL, 66h
JNC zq
MOV BH, 77h
RET
zq: MOV BH, 04h
RET
anz:
MOV AL, BH
OUT DX, AL
RET
\end{lstlisting}
\subsection*{Fortgeschrittene Aufgabe c}
Erweitere das Programm so dass gedrückte Ziffern der Reihe nach nebeneinander angezeigt werden und beim erreichen der letzten Stelle wieder links beginnt.
Das Drücken einer nicht als Ziffer definierten Taste soll eine leere Stelle erzeugen.
\begin{lstlisting}[caption= aufgabe 3c]
MOV DX, 0BBh ; Startwertpointer 7Seg.Anzeige
anf:
CALL wmatr ; Tasten abfragen
CALL ziff ; Ziffern abfragen
CALL anz ; Ausgabe auf Anzeige
JMP anf
matr:
IN AL, 5Ah ; Zeile einlesen
MOV BL, AL ; in Register B sichern
SHL BL, 4 ; Bits nach oben schieben
IN AL, 5Bh ; Spalte einlesen
OR BL, AL ; Spalten & Zeilen in Byte zusammenfassen
RET
wmatr:
CALL matr ; Tasten abfragen
JNZ wmatr ; weiter wenn keine Taste gedrueckt
w2: CALL matr ; Taste abfragen
JZ w2 ; weiter wenn Taste gedrueckt
RET
ziff:
CMP BL, 17h
JNC z1
MOV BH, 3Fh
RET
z1: CMP BL, 18h
JNC z2
MOV BH, 03h
RET
z2: CMP BL, 20h
JNC z3
MOV BH, 6Dh
RET
z3: CMP BL, 24h
JNC z4
MOV BH, 67h
RET
z4: CMP BL, 33h
JNC z5
MOV BH, 53h
RET
z5: CMP BL, 34h
JNC z6
MOV BH, 76h
RET
z6: CMP BL, 36h
JNC z7
MOV BH, 7Eh
RET
z7: CMP BL, 40h
JNC z8
MOV BH, 23h
RET
z8: CMP BL, 65h
JNC z9
MOV BH, 7Fh
RET
z9: CMP BL, 66h
JNC zq
MOV BH, 77h
RET
zq: CMP BL, 77h
JNC z1
MOV BH, 04h
RET
anz:
MOV AL, BH
OUT DX, AL
CMP DX, 0B0h
JC rst
DEC DX
RET
rst: MOV DX, 0BBh
RET
\end{lstlisting}
\subsection*{Fortgeschrittene Aufgabe d}
Verhindere das Prellen der Tasten durch Software um doppelte Tastendrücke zu vermeiden.
\begin{lstlisting}[caption= aufgabe 3d]
MOV DX, 0BBh ; Startwertpointer 7Seg.Anzeige
anf:
CALL wmatr ; Tasten abfragen
CALL ziff ; Ziffern abfragen
JMP anf
wmatr:
CALL matr
CMP BH, 0h
JNZ wmatr
lp: CALL matr
CMP BH, 0h ; Entprelltimer
JZ lp
RET
matr:
MOV ECX, 5000h
t: DEC ECX
JNZ t
MOV AL, 01h
OUT 5Ah, AL
IN AL, 5Bh
MOV BL, AL
z0:
CMP BL, 01h
JNC z1
MOV BH, 3Fh
RET
z1: CMP BL, 02h
JNC z2
MOV BH, 03h
RET
z2: CMP BL, 04h
JNC z3
MOV BH, 6Dh
RET
z3: CMP BL, 08h
JNC w2
MOV BH, 67h
RET
w2: MOV AL, 02h
OUT 5Ah, AL
IN AL, 5Bh
MOV BL, AL
z4: CMP BL, 01h
JNC z5
MOV BH, 53h
RET
z5: CMP BL, 02h
JNC z6
MOV BH, 76h
RET
z6: CMP BL, 04h
JNC z7
MOV BH, 7Eh
RET
z7: CMP BL, 08h
JNC w3
MOV BH, 23h
RET
w3: MOV AL, 04h
OUT 5Ah, AL
IN AL, 5Bh
MOV BL, AL
z8: CMP BL, 01h
JNC z9
MOV BH, 7Fh
RET
z9: CMP BL, 02h
JNC zq
MOV BH, 77h
RET
zq: MOV BH, 0h
RET
anz:
MOV AL, BH
OUT DX, AL
CMP DX, 0B0h
JC rst
DEC DX
RET
rst: MOV DX, 0BBh
RET
\end{lstlisting}
\subsection*{Zusatzaufgabe}
Realisiere einen einfachen Taschenrechner der einstellige nichtnegative Dezimalzahlen addiert und das ein- bis zweistellige Ergebnis auf der Sieben-Segment-Anzeige anzeigt.
Definiere dafür Tasten für ,,+'' und ,,=''.
\begin{center}
\begin{tabular}{c|c|c|c}
1 & 2 & 3 & 4 \\
5 & 6 & 7 & 8 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
+ & 0 & 0 & =
\end{tabular}
\end{center}
\begin{lstlisting}[caption= addition]
\end{lstlisting}
\end{document}