LC-3 ISA: bellek, register'lar, operate ve veri taşıma komutları

7. ve 8. hafta dersin merkezi: LC-3’ün komut kümesi (ISA). Şimdiye kadar öğrendiğin her şey burada birleşiyor: 2’s complement (offset’ler), sign extension (imm5), decoder (opcode), mux ve register (veri yolu), komut döngüsü (fazlar). Bu sayfada LC-3’ün yapısını, hesap yapan operate komutlarını ve bellekle register arasında veri taşıyan data movement komutlarını görüyorsun. Dallanma ve döngüler 8. haftada.

Sınavda soru tipleri: bir komutu 16 bitlik makine koduna çevir (encode), bir hex değeri komuta çevir (decode), etkin adresi hesapla, kısa bir programı izleyip register değerlerini ve condition code’ları yaz.

LC-3’ün yapısı

Kullanıcı programları genelde x3000’den başlar. x0000-x00FF trap vector table, xFE00 ve üstü aygıt register’ları (6. hafta).

Condition codes

Bir register’a değer yazan her komut (ADD, AND, NOT, LD, LDI, LDR), yazılan değere göre üç bitten birini 1 yapar:

Belleğe yazan (ST, STI, STR) ve dallanma komutları condition code’ları değiştirmez. 8. haftada BR komutu tam bu bitlere bakarak karar verecek.

TUZAK · LEA ve condition code. Kitabın 2. baskısında (bu dersin kitabı) LEA da condition code’ları ayarlar; 3. baskıda ayarlamaz. Sınavda LEA’dan hemen sonra gelen bir BR görürsen hocanın hangi kuralı kullandığına dikkat et; en güvenlisi, BR’den önce asıl değeri yazan komutu koymak.

Opcode tablosu

Operate komutları: ADD, AND, NOT

ADD ve AND’in iki biçimi var. Bit 5 hangisi olduğunu söyler.

register modu:   op  | DR  | SR1 | 0 | 00 | SR2
                 15-12 11-9  8-6   5   4-3  2-0
immediate modu:  op  | DR  | SR1 | 1 | imm5
                 15-12 11-9  8-6   5   4-0
NOT:             1001| DR  | SR  | 111111

• ADD R5, R1, R3: R5 ← R1 + R3.
• ADD R3, R1, #-4: R3 ← R1 + SEXT(imm5). imm5 = -4 = 11100, 16 bite 1111 1111 1111 1100 olarak genişletilir.
• NOT R1, R1: R1’in her bitini çevirir.

imm5 aralığı -16..+15. Daha büyük bir sabit gerekiyorsa onu belleğe .FILL ile koyup LD ile yüklemelisin.

Kodlama örneği

AND R4, R3, #15:

0101 | 100 | 011 | 1 | 01111
AND    R4    R3    imm  +15
0101 1000 1110 1111 = x58EF

Hazır kalıplar

NOT’un tek başına sonucu $-x - 1$‘dir: NOT 7 = -8. +1 eklemeyi unutma.

Adresleme kipleri (addressing modes)

Bir operand nerede olabilir? LC-3’te beş cevap var:

LEA da PC + offset9 hesaplar ama belleği okumaz; adresin kendisini register’a koyar.

PC-relative: LD ve ST

LD/ST:  op | DR/SR | PCoffset9
adres = (artmış PC) + SEXT(PCoffset9)

PC artmış olarak kullanılır. Komut x3010’daysa FETCH bittiğinde PC = x3011’dir. Offset buna eklenir. Offset 9 bit, aralık -256..+255: komut, kendisinin yaklaşık 256 konum yakınına erişebilir.

LD R2, #-5 x3010’da: adres = x3011 - 5 = x300C.

0010 | 010 | 1 1111 1011 = x25FB
LD     R2    -5

TUZAK · offset’i komutun kendi adresine eklemek. x3010 + (-5) = x300B yazan puan kaybeder. FETCH’te PC zaten bir artmıştı: x3011 + (-5) = x300C.

Indirect: LDI ve STI

Bellekte bir adres saklıdır. Önce o adres okunur, sonra o adresteki veri.

LDI R3, #2 (x3000'de)
1) x3001 + 2 = x3003       M[x3003] = x4000   (bu bir pointer)
2) M[x4000] = x0042  →  R3 = x0042

Uzak adreslere (örneğin xFE00 aygıt register’ları) ulaşmanın yolu budur.

Base+offset: LDR ve STR

LDR/STR:  op | DR/SR | BaseR | offset6
adres = BaseR + SEXT(offset6)      aralık -32..+31

Base register 16 bit olduğu için belleğin her yerine ulaşılır. Diziler, yığın (stack) ve pointer’lar bu kiple çalışır (C haftalarında göreceksin).

STR R2, R5, #-1 ile R5 = x4001, R2 = x00AA → M[x4000] = x00AA.

LEA: adresi yükle

LEA R1, ARR → R1 ← ARR’ın adresi. Bellek okunmaz. Bir dizinin başlangıç adresini almak için LEA, sonra elemanlara LDR ile erişilir:

        LEA  R1, ARR       ; R1 = x3005 (ARR'ın adresi)
        LDR  R2, R1, #2    ; R2 = ARR[2] = 10
        LDR  R3, R1, #0    ; R3 = ARR[0] = 7
        ADD  R4, R2, R3    ; R4 = 17
        HALT
ARR     .FILL #7
        .FILL #-2
        .FILL #10

Çözme (decode) tarifi

1. Hex’i 16 bite aç.
2. İlk 4 bit opcode, tabloya bak.
3. Opcode’un formatına göre kalan 12 biti alanlara böl.
4. Offset varsa sign extend et, adres gerekiyorsa artmış PC’ye ekle.

Örnek: x2A10, x3100 adresinde.

0010 101 0 0001 0000
LD   R5  PCoffset9 = 0 0001 0000 = +16
adres = x3101 + 16 = x3101 + x10 = x3111
→ LD R5, x3111    (R5 ← M[x3111])

Örnek: x7F3F.

0111 111 100 111111
STR  R7  R4  offset6 = 111111 = -1
→ STR R7, R4, #-1    (M[R4 - 1] ← R7)

Çözümlü iz

        .ORIG x3000
        LD   R1, A        ; R1 = 13
        LD   R2, B        ; R2 = -6
        ADD  R3, R1, R2   ; R3 = 7
        AND  R4, R3, #7   ; R4 = 7
        NOT  R5, R4       ; R5 = -8
        ST   R3, C        ; M[C] = 7
        HALT
A       .FILL #13
B       .FILL #-6
C       .BLKW 1
        .END

Assembler’ın ürettiği makine kodu:

x3000  x2206   LD  R1, A      (x3001 + 6 = x3007 = A)
x3001  x2406   LD  R2, B      (x3002 + 6 = x3008 = B)
x3002  x1642   ADD R3, R1, R2
x3003  x58E7   AND R4, R3, #7
x3004  x9B3F   NOT R5, R4
x3005  x3603   ST  R3, C      (x3006 + 3 = x3009 = C)
x3006  xF025   HALT
x3007  x000D   A = 13
x3008  xFFFA   B = -6
x3009  x0000   C

Sonuç: R3 = 7, R4 = 7, R5 = xFFF8 (-8), M[x3009] = 7. Son CC’yi ayarlayan komut NOT (R5 negatif) → N. ST CC’yi değiştirmedi.

Sık yapılan hatalar

        .ORIG x3000
        LD   R1, A
        LD   R2, B
        ADD  R3, R1, R2
        AND  R4, R3, #7
        NOT  R5, R4
        ST   R3, C
        HALT
A       .FILL #13
B       .FILL #-6
C       .BLKW 1
        .END