Mima Simulator

Zur Vorlesung "Technische Informatik II"

Einleitung

Die Mima ist eine fiktive mikroprogrammierte Minimalmaschine, die in der Vorlesung "Technische Informatik II" an der Uni Karlsruhe zum Einsatz kommt. Eine ausführliche Beschreibung der Funktionalität der Mima findet man über die Homepage der Vorlesung.
Der MimaSimulator ermöglicht eine Simulation der Mima auf Mikrobefehls-Ebene.

Seit Mai 2007 gibt es dank Adam Taras eine neue Version (1.1) des Mima-Simulators mit folgenden Änderungen:

• Bugfix: Nullpointer-Execption beim Zugriff auf externen Speicher unter bestimmten Umständen
• Neu: Öffnen der Programmdatei per GUI (vorher: nur Kommandozeile)
• Neu: Erweiterte Kontrolle über den Programmablauf
• Neu: Spezielle Behandlung des Halt-Befehls (siehe unten)
• Neu: Kommentare aus der Programmdatei auch in im GUI sichtbar

Download

• Jar-Archiv: mima_v1.1.jar (ab Java 1.6)
• Altes Jar-Archiv: mima_v1.0.jar (ab Java 1.4)
• Source-Code: mima_v1.1_src.zip
• Beispielprogramm: sampleprog.txt

Starten des Programms

erfolgt mittels

    java -jar mima_1.1.jar Dateiname

wobei für "Dateiname" der Pfad zur Programmdatei einzusetzen ist, die Mikrobefehle, Speicherinhalte und Startwerte für die Register enthält. Seit Version 1.1 kann der Dateiname auch weggelassen werden - es wird dann ein Datei-Öffnen-Dialog angezeigt.

Format für Programmdatei

Diese Datei gliedert sich in vier unterschiedliche Abschnitte, die im folgenden beschrieben werden.

• [micro program] Belegung des Mikroprogrammspeichers im Format

      Adresse Anweisung Kommentar

  wobei "Adresse" eine zweistellige Hex-Zahl im Bereich von 00 bis FF und "Anweisung" eine siebenstellige Hex-Zahl mit dem in Aufgabe 1 des dritten Übungsblattes beschriebenen Format ist. Zu Beachten ist, dass das Fetch-Programm immer bei Adresse 00 beginnen muss. Der (optionale) Kommentar wird auch im Programmfenster angezeigt und kann das Nachvollziehen des Programmablaufs vereinfachen.
• [micro program addresses] Zuordnung OpCode von Assemblerbefehlen zu entsprechenden Mikroprogramm-Adressen im Format

      Adresse OpCode

  wobei "OpCode" eine zweitstellige Hex-Zahl (die Bits B₂₃ bis B₁₆ in hexadezimaler Darstellung) und "Adresse" die Startadresse des Mikroprogramms ist, das den durch "OpCode" gegebenen Assembler-Befehl realisiert.
• [memory] Die anfängliche Belegung des externen Speichers im Format

      Adresse Wert Kommentar

  wobei "Adresse" eine fünf- und "Wert" eine sechsstellige Hex-Zahl ist. Assembler-Programme sind auf diese Art im Speicher abzulegen.
• [registers] Anfangsbelegung der Register im Format

      Name Wert

  wobei als "Name" in Frage kommen: AKKU, X, Y, Z, IAR, IR, SAR und SDR. Der "Wert" ist je nach Register-Größe eine fünf- oder sechsstellige Hex-Zahl. Über Zuweisen eines Anfangswertes für IAR kann man den Beginn des Assembler-Programms festlegen.

Zwischen den beiden Werten muss genau ein Leerzeichen stehen. Leere Zeilen oder solche, die mit "//" beginnen werden ignoriert.

Bedienung der Oberfläche

Die Oberfläche des Mima-Simulators ist sehr sparsam gehalten. Der folgende Screenshot gibt einen Überblick über sämtliche Elemente der Oberfläche, die anschließend im einzelnen erklärt werden.

• Die beiden Listen zeigen den Inhalt des Mikroprogrammspeichers (links) bzw des externen Speichers (rechts). Wird auf den externen Speicher zugegriffen, so wird die entspr. Stelle markiert; beim Mikrospeicher ist immer der aktuelle Befehl markiert. Über die Eingabe einer Adresse in das rechte obere Feld kann man schnell an die entsprechende Stelle im externen Speicher springen.
• Schreibt ein Register auf den Bus, wird es rot dargestellt, liest es vom Bus, blau (im obigen Screenshot schreibt also das IR-Register, während das SAR-Register liest).
• Führt die Alu eine Berechnung durch, werden die beteiligten Register weiß dargestellt.
• Wurde ein Wert aus dem externen Speicher gelesen, erscheint das SDR magenta-farben.
• Informationen über den Zugriff auf den externen Speicher bzw die Aktivitäten der Alu werden ggf rechts eingeblendet.
• Im Meldungs-Fenster erscheint eine Beschreibung des aktuellen Mikrobefehls. Angezeigt werden: Codierter Mikrobefehl, Schreib-/Leseoperationen der Register, Alu- und Speicheraktivitäten und die Folge-Adresse.
• Die Bedienung erfolgt über die folgenden vier Schaltflächen:
  • Mit dem "nächster Schritt"-Befehl (rechts) wird der nächste Mikrobefehl ausgeführt.
  • Der Run-Mode wird mit dem Start-Befehl aktiviert: Das Programm läuft dann bis entweder der Halt-Befehl erreicht wurde, oder - falls eine Adresse eingegeben wurde - bis im SAR diese Adresse auftaucht (auf diese Weise lässt sich ein Breakpoint setzen).
  • Über den Stop-Befehl kann der Run-Mode beendet werden.
  • Schließlich kann die Programmdatei mit dem "Neu laden"-Befehl (links) neu eingeladen werden - bei einer Änderung an der Programmdatei muss der Mima-Simulator also nicht neu gestartet werden.

Anmerkungen zum Verhalten des Mima-Simulators

Einige Eigenschaften im Verhalten der Mima sind nicht explizit vorgegeben, da sie in der Vorlesungen keine Rolle spielen. Daher hier ein paar Anmerkungen zu Details im Simulator-Verhalten.

• Der Zugriff auf den externen Speicher benötigt bekanntermaßen drei Takte. Wird währenddessen die Adresse oder der zu schreibende Wert verändert, beginnt die Zählung wieder bei 0.
• Zur Bedeutung des "B-Bits" (neuntes Bit) bei den Mikrobefehlen: Ist B = 0, so hat dies keine weiteren Auswirkungen; ist B = 1, so können zwei Fälle auftreten:
  • Akku < 0: Weiter mit nächstem Mikrobefehl
  • sonst: Springe zur Fetch-Phase (Adresse 0x00)
  Mit Hilfe des B-Bits lässt sich das Mikroprogramm für den bedingten Sprung JMN realisieren.
• Der HALT-Befehl wird daran erkannt, dass im Steuerwerk ein Befehl geladen ist, der als Folgeadresse sich selbst hat.