Befehlssatz

Der Befehlssatz ist die komplette Sammlung von Befehlen, welche ein Prozessor versteht und ausführen kann. Im Folgenden werden einige typische Befehle betrachtet.

Ein Befehl wird im Computer als binäre Zahl dargestellt. Ein Befehl besteht aus der Nummer des Befehls und der Adresse der Speicherzelle, auf welche sich der Befehl bezieht.

Die folgende Tabelle zeigt den Befehlssatz des Little Man Computers:

Code	Name	Beschreibung
000	HLT	Programm anhalten
1xx	ADD	Addiert den Inhalt in der Speicherstelle xx zum Akkumulator
2xx	SUB	Subtrahiert den Inhalt in der Speicherstelle xx vom Akkumulator
3xx	STA	Überträgt den Inhalt des Akkumulators in die Speicherstelle xx
5xx	LDA	Überträgt den Inhalt der Speicherstelle xx in den Akkumulator
6xx	BRA	Setzt den Programmzähler auf den Wert xx
7xx	BRZ	Setzt den Programmzähler auf den Wert xx, falls der Akkumulator gleich Null ist
8xx	BRP	Setzt den Programmzähler auf den Wert xx, falls der Akkumulator nicht negativ ist
901	INP	Liest einen Wert vom Benutzer ein und überträgt ihn in den Akkumulator
902	OUT	Gibt den Wert im Akkumulator aus
922	OTC	Gibt den Wert im Akkumulator als ASCII-Zeichen aus

LDA: Akkumulator Laden (Load Accumulator)

Mit diesem Befehl wird ein Wert aus dem Speicher in den Akkumulator des Rechenwerks geladen. Dazu wird der Inhalt des Adressregisters auf den Adressbus ausgegeben, um im Speicherwerk die gewünschte Speicherzelle auszuwählen. Der Inhalt dieser Speicherzelle wird via Datenbus in den Akkumulator kopiert.

STA: Akkumulator Speichern (Store Accumulator)

Mit diesem Befehl wird der Wert im Akkumulator in den Speicher gespeichert. Dazu wird der Inhalt des Adressregisters auf den Adressbus ausgegeben, um im Speicherwerk die gewünschte Speicherzelle auszuwählen. Der Inhalt des Akkumulators wird via Datenbus in diese Speicherzelle kopiert.

INP: Eingabe (Input)

Dieser Befehl liest einen Wert von einem Eingabegerät in den Akkumulator ein. Der Inhalt des Adressregisters wird auf den Adressbus ausgegeben, um das gewünschte Gerät auszuwählen. Das Ein-/Ausgabewerk empfängt den Wert vom ausgewählten Gerät und kopiert ihn via Datenbus in den Akkumulator.

OUT: Ausgabe (Output)

Dieser Befehl gibt den Wert des Akkumulators an ein externes Gerät aus. Der Inhalt des Adressregisters wird auf den Adressbus ausgegeben, um das gewünschte Ausgabegerät auszuwählen. Der Inhalt des Akkumulators wird via Datenbus an das Ein-/Ausgabewerk übermittelt, welches den Wert an das ausgewählte Gerät weiterleitet.

ADD: Addieren

Mit diesem Befehl werden zwei Zahlen addiert. Dazu wird der Inhalt des Adressregisters auf den Adressbus ausgegeben, um im Speicherwerk die gewünschte Speicherzelle auszuwählen. Der Inhalt dieser Speicherzelle wird via Datenbus an die Arithmetisch-logische Einheit (ALU) im Rechenwerk weitergeleitet. Dieser addiert den Wert zum Wert, der sich bereits im Akkumulator befindet. Das Resultat wird im Akkumulator gespeichert.

SUB: Subtrahieren

Dieser Befehl funktioniert analog zum Befehl «Addieren». Allerdings wird der Wert aus der Speicherzelle vom Wert im Akkumulator subtrahiert.

BRA: Programmzähler setzen (Branch)

Dieser Befehl überträgt den Inhalt des Adressregisters in den Programmzähler. Damit kann der Ablauf des Programms beeinflusst werden. Indem der Programmzähler auf einen kleineren Wert gesetzt wird, können Befehle wiederholt ausgeführt werden.

BRZ: Programmzähler setzen falls Null (Branch if Zero)

Dieser Befehl überträgt den Inhalt des Adressregisters in den Programmzähler, falls der Akkumulator den Wert Null enthält.

BRP: Programmzähler setzen falls Positiv (Branch if Positive)

Dieser Befehl überträgt den Inhalt des Adressregisters in den Programmzähler, falls der Akkumulator Null oder eine positive Zahl enthält.

HLT: Programm beenden (Halt)

Dieser Befehl beendet die Ausführung des Programms. Damit wird verhindert, dass Daten, welche im Speicherwerk nach den Befehlen abgelegt sind, fälschlicherweise als Befehl interpretiert und ausgeführt werden.

In echten Rechnerarchitekturen werden anstelle dieses Befehls Return-Befehle (RET) verwendet, welche die Programmkontrolle an ein anderes Programm (z.B. das Betriebssystem) übergeben.

Addition mit Maschinencode

Wir machen Schritt für Schritt ein Einstiegsbeispiel, in welchem zwei Zahlen addiert werden. Diese Zahlen werden vom Benutzer als Input eingegeben. Das Resultat wird als Output ausgegeben.

• Öffnen Sie den Little Man Computer

• Geben Sie die folgenden Werte in den Speicher ein:

  Adresse	0	1	2	3	4	5
  Wert	901	310	901	110	902	000

• Klicken Sie auf Run und beobachten Sie, was passiert.

• Erkennen Sie den Von-Neumann-Zyklus?

• Bei welchen Befehlen werden nicht alle Schritte des Zyklus ausgeführt?

Beispielprogramme

Zwei Zahlen addieren

Das folgende Programm liest zwei Zahlen ein, addiert sie und gibt das Resultat aus.

#	Befehl	Assembler	Was geschieht
0	901	INP	Eingabe → Akkumulator
1	306	STA 6	Akkumulator → Speicherzelle 6
2	901	INP	Eingabe → Akkumulator
3	106	ADD 6	Akkumulator + Speicherzelle 6 → Akkumulator
4	902	OUT	Akkumulator → Ausgabe
5	000	HLT	Programm beenden
6	000	DAT 0	Speicherplatz für ersten Wert

Damit der erste eingelesene Wert nicht überschrieben wird, muss er zunächst im Speicher abgelegt werden. Dazu wird die Speicherzelle 6 verwendet. Sie ist die erste noch freie Speicherzelle nach dem HLT-Befehl. Nachdem der zweite Wert eingelesen wurde, wird der Wert aus der Speicherzelle 6 addiert und das Resultat ausgegeben.

Das Programm entspricht in etwa dem folgenden Python-Programm:

a = input("Zahl A")
b = input("Zahl B")
c = a + b
print(c)

Zahlenraten

Das folgende Programm ist ein einfaches Computerspiel. Der Benutzer wird so lange nach einer Zahl gefragt, bis er die richtige Zahl erraten hat.

#	Befehl	Assembler	Was geschieht
0	901	INP	Eingabe → Akkumulator
1	207	SUB 07	Akkumulator - Speicherzelle 07 → Akkumulator
2	704	BRZ 04	falls Akkumulator = 0: 4 → Programmzähler
3	600	BRA 00	0 → Programmzähler
4	507	LDA 07	Speicherzelle 07 → Akkumulator
5	902	OUT	Akkumulator → Ausgabe
6	000	HLT	Programm beenden
7	032	DAT 32	zu erratender Wert

a = 0
zahl = 32
while not a == zahl:
    a = int(input("Zahl erraten: "))
print("Richtig, die zu erratende Zahl war ", zahl)