MARIE Architecture

الفصل الخامس: مقدمة في الحاسب البسيط (MARIE)

الهدف: فهم المسجلات (Registers)، دورة التعليمات (Fetch-Decode-Execute)، و RTL.
1

CPU Performance Equation

$$ \text{CPU Time} = \frac{\text{Instructions}}{\text{Program}} \times \frac{\text{Cycles}}{\text{Instruction}} \times \frac{\text{Seconds}}{\text{Cycle}} $$

لتحسين الأداء: قلل عدد التعليمات، أو قلل عدد الدورات لكل تعليمة، أو قلل زمن الدورة (زيادة التردد).

2

Memory Interleaving (تنظيم الذاكرة)

High-Order Interleaving

البتات العليا (Most Significant) تحدد الـ Module (الشريحة).

  • العناوين متتالية داخل الشريحة الواحدة.
  • مثال: Module 0 يحتوي العناوين من 0 إلى 3.

Low-Order Interleaving

البتات الدنيا (Least Significant) تحدد الـ Module.

  • العناوين المتتالية تتوزع على شرائح مختلفة (Parallel Access).
  • مثال: Module 0 يحوي 0, 4, 8...
3

MARIE Registers (المسجلات)

جهاز MARIE هو جهاز 16-bit يحتوي على المسجلات التالية:

AC
16-bit
Accumulator
يخزن نتائج العمليات الحسابية والمنطقية.
MAR
12-bit
Memory Address Reg
يحمل "عنوان" الذاكرة المراد الوصول له.
MBR
16-bit
Memory Buffer Reg
يحمل "البيانات" القادمة من أو الذاهبة للذاكرة.
PC
12-bit
Program Counter
يحمل عنوان التعليمة "التالية".
IR
16-bit
Instruction Register
يحمل التعليمة الحالية التي يتم تنفيذها.
In/OutREG
8-bit
I/O Registers
للتعامل مع وحدات الإدخال والإخراج.
4

Fetch-Decode-Execute Cycle

1. Fetch (جلب التعليمة)

MAR ← PC

IR ← M[MAR]

PC ← PC + 1

انسخ عنوان التعليمة من PC إلى MAR، اجلب التعليمة للـ IR، زد الـ PC.

2. Decode (فك التشفير)

Decode IR[15-12]

MAR ← IR[11-0] (If needed)

افهم نوع التعليمة (Opcode)، وجهز العنوان (Address) في الـ MAR إذا لزم الأمر.

3. Execute (التنفيذ)

تختلف حسب نوع التعليمة (مثال: ADD, LOAD, STORE).

EXAM VAULT (خزنة الاختبار)
TRAP / فخ RTL

MAR vs MBR

لا يمكنك نقل البيانات من الذاكرة مباشرة إلى AC.
Wrong: AC ← M[MAR]
يجب أن تمر عبر MBR أولاً:
1. MBR ← M[MAR]
2. AC ← MBR

CALCULATION / مسألة

Memory Interleaving

لديك ذاكرة 32 كلمة، مقسمة لـ 4 Modules. أين تقع الكلمة رقم 13 (Word 13)؟

High-Order: 32/4 = 8 words/mod.
13 is in Module 1 (words 8-15).
----------------
Low-Order: 13 mod 4 = 1.
It is in Module 1.
→ السابق (Ch 4) الفصل التالي (Ch 6) ←