TIEP114 Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuuri

TIEP114 Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuuri - Harjoitustehtävät 2016

Kurssin harjoitustehtävät on jaettu seuraaviin osioihin

Boolean logiikka
Kombinaatiologiikka
Sekvenssilogiikka, Assembly ja CPU
Assembler-kääntäjä

Osiot sisältävät erityyppisiä harjoitustehtäviä

Huom: Nand2Tetris tehtävien vastauksia ei saa laittaa Internettiin yleisesti saataville. Palautus vain sähköpostin liitteenä.

Tehtäviä voi tehdä ryhmässä, jos palautuksen yhteydessä listataan kaikki ryhmään kuuluvat henkilöt. Jokaisen ryhmän jäsenen tulee palauttaa vastaukset itsenäisesti.

Nimeä vastaustiedostosi ao. tehtävätyyppien ohjeiden mukaan.

Tehtävät lähetetään osoitteeseen ari.viinikainen@jyu.fi

Jos et saa sähköpostilla palautetta tehtävistäsi, niin niissä ei ollut huomautettavaa.

Ohjeita Elektroniikkatehtäviin

Ohjeita Nand2Tetris tehtäviin

Tehtävät perustuvat Nand2Tetris kurssin lukuihin 1-5 sekä projekteihin 1-5.
Tehtävien tekemiseen käytetään ohjelmistoa josta pääasiassa Hardware simulaattoria. Käytetystä HDL kielestä löytyy tutoriaali täältä. Huom: Voit tallentaa java ohjelman yliopiston tietokoneille C:\MyTemp hakemistoon. Siirrä projects hakemisto kuitenkin omalle U: levylle, jonne siis tallennat tiedostot, joita tulet muokkaamaan.
Tehtävät tehdään muokkaamalla tekstieditorilla projects hakemistossa olevia tiedostoja. Sen jälkeen toteutuksen toimivuus tulee todeta simulaattorissa.
Seuraavissa tehtävissä saa käyttää "aiemmin toteutettuja portteja", mikä tarkoittaa tehtävälistassa ylempänä olevia HDL portteja (esim. OR porttia toteuttaessa (tehtävä 3) saa käyttää NAND portin lisäksi portteja NOT ja AND. Huom: voit käyttää niitä vaikka et olisi itse niitä toteuttanut (jos jokin aiempi portti on jäänyt toteuttamatta). Tällöin muuta toteuttamattoman portin nimeä, jolloin simulaattori käyttää sisäänrakennettua toteutusta.
Kaikki tehtävät voidaan toteuttaa käyttämällä vain NAND portteja tai NAND porteista rakennettuja kytkentöjä.
Palautus:
- Kustakin tehtävästä palautetaan tiedosto, jonka nimenä on tehtävänannossa mainittu nimi esim. Not.hdl, tiedoston kommentti osuudesta tulee löytyä opiskelijan nimi. Huom: Simulaattori ei toimi jos vaihdat tiedoston nimeä.
- Palauta useampi hdl tiedosto pakattuna zip tiedostoksi jonka nimenä on Sukunimi_Etunimi_N.zip, missä N tarkoittaa Nand2Tetris demoja
- Testaa hdl tiedoston toiminta Hardware simulaattorilla ennen palautusta. Jos palautat version, joka ei toimi, niin todennäköisesti et saa täysiä pisteitä ko. tehtävästä.
- Huom: Jos tehtävästä saa enemmän kuin yhden pisteen, niin arvosteluun vaikuttaa myös toteutuksen kommentointi. Näissä tehtävissä puolet pisteistä tulee toteutuksesta ja puolet kommentoinnista. Täydet pisteet saa vain jos toteutuksen jokaisen rivin toiminta on kommentoitu.

Tehtävien suositeltu järjestys

Tehtävät

Boolen logiikka 58+ pistettä

Kombinaatiologiikka 51 pistettä

TIM - järjestelmässä Kombinaatiologiikan algebran tehtävät - 10 pistettä
TIM - järjestelmässä Kombinaatiologiikan piirikaaviotehtäviä - 15 pistettä
Elektroniikkademot 3 - 6 pistettä (lisäksi ekstratehtäviä joiden pisteytyksestä sovitaan erikseen, vaatii ajan käyttöä kytkentöjen suunnitteluun ja toteutukseen)

Nand2Tetris tehtävät 20 pistettä

Kombinaatiologiikka - Tarkemmat ohjeet täältä ja täältä ja teoriatausta täältä ja täältä

Mux.hdl (Multiplekseri (tulovalitsin) jonka ulostulo (lähtö - output) voidaan valita kahdesta eri sisäänmenosta (tulo - input) (ks. esim.)
DMux.hdl (Demultiplekseri (lähtövalitsin) jonka yksi sisäänmeno (tulo - input) voidaan ohjata yhteen kahdesta eri ulostulosta (lähtö - output).
Mux16.hdl (16-bit Multiplekseri)
Or8Way.hdl (Or portti, jossa kahdeksan sisäänmenoa. Ulostulona 1 jos vähintään yksi sisäänmeno on 1)
Mux4Way16.hdl (16-bit/4-way mux - 16 bittinen tulovalitsin, jossa 4 tuloa ja 1 lähtö)
Mux8Way16.hdl (16-bit/8-way mux - 16 bittinen tulovalitsin, jossa 8 tuloa ja 1 lähtö)
DMux4Way.hdl (4-way demultiplexor - 1 bittinen lähtövalitsin, jossa 1 tulo ja 4 lähtöä)
DMux8Way.hdl (8-way demultiplexor - 1 bittinen lähtövalitsin, jossa 1 tulo ja 8 lähtöä) - HUOM: ohjelmiston mukana virheellinen .cmp tiedosto (puuttuu kolmas sel bitti), esim. tässä oikea DMux8Way.cmp, sekä .tst tiedosto DMux8Way.tst
HalfAdder.hdl (Half Adder - puolisummain, laskee yhteen kaksi bittiä, antaa tuloksena summa bitin ja carry bitin)
FullAdder.hdl (Full Adder) - kokosummain, laskee yhteen kolme bittiä, jossa kolmas bitti on edellisen vähemmän merkitsevän bitin yhteenlaskusta saatu carry bitti.
Add16.hdl (16-bit Adder - Summaa kaksi 16 bittistä lukua yhteen (ylivuotoa ei ilmoiteta, eikä sitä toteutettavassa tietokoneessa tarvitse tutkia)
Inc16.hdl (16-bit incrementer - summaaja, joka kasvattaa 16 bittistä lukua yhdellä). Huom: HDL:ssä vakio 1 signaalit kaikille 16 bitille saa esim. a[0..15]=true, vakio 0 vastaavasti esim. yhdelle bitille b[0]=false.
(8 pistettä - huom: täydet pisteet vaativat toteutuksen kommentoinnin) ALU.hdl (Arithmetic Logic Unit - joka toteuttaa prosessorin tarvitsemat laskuoperaatiot ja loogiset operaatiot)

Sekvenssilogiikka, Assembly ja CPU 51+ pistettä

TIM - järjestelmässä sekvenssilogiikan tehtävät - 5+ pistettä (saattaa tulla lisää tehtäviä)
Elektroniikkademot 4 - 6 pistettä (lisäksi ekstratehtäviä joiden pisteytyksestä sovitaan erikseen, vaatii ajan käyttöä kytkentöjen suunnitteluun ja toteutukseen)

Nand2Tetris tehtävät 8 pistettä

Assembly ja Konekieli tehtävät 20 pistettä

Assembly ja Konekieli - Tarkemmat ohjeet täältä ja teoriatausta täältä

(4 pistettä) Mult.asm (Laskee tulon R0*R1 ja tallentaa vastauksen rekisteriin R2, huom. Virtuaaliset rekisterit R0 - R15 sijaitsevat RAM muistin lohkoissa RAM[0] - RAM[15]). Oletetaan että kerrottavat lukuarvot ovat ei-negatiivisia (eli ≥ 0) - HUOM: ohjelmiston mukana virheelliset .tst ja .cmp tiedostot, ao linkit ovat oikein ja testaavat lisäksi sitä onko R2 alustettu nollaksi (lisäksi jos koodisi käyttään R0 tai R1 rekisteriä laskurin arvona, niin Mult.cmp ja Mult.tst versiot ottavat sen huomioon. Ja alkuperäisessä Mult.asm pohjassa on kommenteissa virhe // Multiplies R0 and R1 and stores the result in R2. // (R0, R1, R2 refer to RAM[0], RAM[1], and RAM[3], respectively.) ⇐ tuolla RAM[3] pitäisi olla RAM[2]
(6 pistettä) Fill.asm (täyttää ruudun mustalla näppäintä painettaessa (16 pikseliä (eli 16 bittiä, mikä vastaa yhtä muistilohkoa) per näppäimen painallus) ja pyyhkii mustat pois kun näppäintä ei paineta)
(1 - 10 pistettä) Jokin oma assembly ohjelma, joka käsittelee näppäimistöä ja näyttöä. Koodin jokainen rivi tulee olla kommentoitu ja lisäksi ohjelman alussa tulee olla kommentoitu se mitä ohjelma tekee. Kymmenen riviä assembly koodia (kommenttirivejä ei lasketa mukaan) vastaa yhtä pistettä. Rivien lukumäärä pyöristetään lähimpään kymppiin. Saa tehdä useammankin ohjelman, esim. 2 kpl 50 rivistä koodia tai 3 kpl 33 rivistä koodia, maksimipistemäärä tästä tehtävästä on 10.

- **Uutta:** lisäpisteitä yli sadan rivin koodeista.
- Yli 100 rivin jälkeen saa yhden pisteen aina seuraavasta sadasta rivistä.
- Pyöristys aina lähimpään sataan
- Esimerkiksi, yhteensä 200 riviä on 11 pistettä ja 900 riviä on 18 pistettä.
- 1000 riviä on 19 pistettä ja yli 1000 on 20 pistettä.
- Maksimipistemäärä tästä tehtävästä oli ennen 10 pistettä.
- Maksimipistemäärä on nyt [20]{.blue} pistettä
- Jos olet ennen 9.12.2020 palauttanut yli 100 rivisen koodin, voit halutessasi ottaa yhteyttä sähköpostilla pisteiden uudelleen laskemiseksi.

CPU ja Tietokoneen arkkitehtuuri 12 pistettä

Assembler kääntäjä 40 pistettä