Урок 2. Счётчик команд и ПЗУ: огоньки по программе

После этого урока процессор сам шагает по программе: огонёк бежит по лампам туда и обратно, а между проходами все лампы вспыхивают. Тумблеры кода и числа больше не нужны — их заменяет ПЗУ.

2.1. Идея: программа — это список команд

Команды лежат в ПЗУ одна за другой: 256 слов по 16 бит. Номер текущей помнит регистр PC — счётчик команд. Каждый такт PC прибавляет 1, и процессор берёт следующую команду. Слово команды:

• ir12–ir15 — код операции (тот же, что был на тумблерах);
• ir11 — «число»: 1 — число в самой команде (LD #5), 0 — из памяти (урок 3);
• ir0–ir7 — само число или адрес перехода.

2.2. Идея: переходы и подпрограмма

• JMP кладёт в PC адрес из команды — программа идёт по кругу;
• JZ/JNZ, JC/JNC переходят, только если флаг Z или C такой, как надо;
• CALL перед переходом запоминает адрес следующей команды в стеке, RET возвращается туда.

Стек у нас — одна ячейка: подпрограмма не может вызвать другую. Карте этого хватит.

2.3. Сборка

Тот же проект, что в уроке 1.

Шаг 1. Убрать пульт урока 1

Код и число теперь даёт программа: код — ПЗУ (ir12–ir15), число — MUX2 из слова команды (bv0–bv7). Такт — генератор. Две детали на одной метке — закоротка, поэтому сначала удалить. Метки возле них можно оставить: те же имена появятся на ногах новых деталей. Тумблер RST остаётся.

Шаг 2. Чип HA — полусумматор: сумма и перенос двух бит

Если HA уже есть в библиотеке (из «Как считает процессор» или HB-04) — шаг пропусти.

Ctrl+G → имя HA. Ноги: входы A, B; выходы S, C.

Шаг 3. Чип OR3 — ИЛИ на 3 входа

Если OR3 уже есть в библиотеке (из «Часов и игры») — шаг пропусти.

Ctrl+G → имя OR3. Ноги: входы A, B, C; выходы Y.

Шаг 4. Такт

Clock из палитры, клик по корпусу — 2Hz: две команды в секунду, огоньки видно глазом.

Шаг 5. ПЗУ программы

ПЗУ — память, где лежит программа: 256 слов по 16 бит, одно слово — одна команда. На адрес приходит PC, на выходе сразу — слово ir0–ir15: ir12–ir15 код, ir11 «число», ir0–ir7 число или адрес перехода.

Memory (RAM) из палитры, в редакторе памяти (⚙):

Ёмкость: клик по 16 words ▸ → 256 → Enter. CLR на ПЗУ не ставить — он стёр бы программу. Ноги A8–A15, WE, CLK и все D0–D15 — на GND (в ПЗУ не пишут).

Шаг 6. PC + 1

Следующий адрес — плюс один: бит 0 переворачивается, дальше перенос бежит по полусумматорам, пока единицы.

Шаг 7. Когда переходить

jmp = 1 — следующий адрес берётся из команды: JMP и CALL всегда, JZ/JNZ — по флагу Z, JC/JNC — по C.

Шаг 8. Следующий PC и регистр PC

Выбор: PC + 1 или адрес из команды (jmp), потом — адрес возврата из стека (RET). AND с nR — сброс в 0. PC пишется каждый такт — без LD, просто триггеры.

Шаг 9. Стек: одна ячейка

CALL запоминает адрес следующей команды (PC + 1), RET возвращается туда. Ячейка одна: подпрограмма не может вызвать другую.

Шаг 10. Число из команды

ir11 = 1 — число берётся из слова команды (LD #5). Вход A — din0–din7, число из памяти — появится в уроке 3; пока метки din ни к чему не подключены, и программа урока берёт только числа.

Шаг 11. Табло PC и лампы A

Табло — адрес команды PC. Восемь ламп — биты A (слева acc7): по ним и бегут огоньки.

Шаг 12. Программа в ПЗУ

⚙ у ROM → кнопка ⬆ → файл 02-lights.rom.json. Вот она на ассемблере:

; Урок 2 — бегущие огоньки: A по очереди 1, 2, 4 … 128 и обратно; между проходами — вспышка (подпрограмма).; Только числа (#) и переходы: памяти данных ещё нет (урок 3).start:  LD #1        LD #2        LD #4        LD #8        LD #16        LD #32        LD #64        LD #128        CALL flash       ; вспышка — и обратно сюда        LD #64        LD #32        LD #16        LD #8        LD #4        LD #2        CALL flash        JMP start flash:  LD #255          ; все огни        LD #0            ; погасить        RET              ; вернуться за CALL

2.4. Проверка

Сначала сброс: включи RST, дождись одного-двух тактов (табло PC = 0), выключи. Дальше генератор шагает сам: табло PC показывает, какую команду ПЗУ выполняет, лампы — A после неё.

• В строке «Такт» табло PC показывает адрес текущей команды; после такта он станет «PC после».
• Огоньки бегут влево (1 → 128), вспыхивают все, бегут вправо, вспышка — и снова. Табло PC: 0 … 8, 17, 18, 19, 9 … 15, 17, 18, 19, 16, 0 — это переходы CALL, RET, JMP.
• Пока программы нет (ПЗУ пустое), все слова = 0 = LD числа из памяти: A = 0 и лампы не горят — так и должно быть.
• Табло A урока 1 тоже идёт вместе с лампами.

Если не так:

• PC стоит на 0 — RST включён или нет Clock; PC прыгает как попало — проверь HA: B первого — pc0, дальше ic2…ic7.
• После 8 не уходит на 17 — jmp: OR3 с oCALL; после 19 не возвращается на 9 — стек (LD = oCALL) и второй ряд MUX2 (S = oRET).
• Лампы не горят, а PC шагает — ir11 на S у MUX2 числа, программа не загружена.

В чип не сворачивать.

⚠ Частая ошибка. Во втором OR3 (выход j2) на входах стоят сами команды oJNZ, oJC вместо tJNZ, tJC. Огоньки бегут правильно — в этой программе нет условных переходов, — но JNZ и JC прыгают всегда, не глядя на флаг. Ошибка вылезет в уроке 3. Проверь программой 02-jumps-test.rom.json: верно — лампы 1010 1010 (170), горят все (255) — какой-то переход неверный.

Вставка урока 2 (Cmd+I)

Сначала шаг 1 (удалить кнопку CLK и тумблеры ir12–ir15, bv0–bv7).

# Урок 2 — счётчик команд и ПЗУ: огоньки по программе.# Вставка: Cmd+I поверх урока 1, после шага 1 (удалить кнопку CLK и тумблеры ir12–ir15, bv0–bv7).# Потом: ПЗУ — загрузить программу lessons/02-lights.rom.json (⬆ в редакторе памяти ROM). # ---------- HA ----------chip HA {  portIn(A)  portIn(B)  portOut(S)  portOut(C)  XOR(A, B, S)  AND(A, B, C)} # ---------- OR3 ----------chip OR3 {  portIn(A)  portIn(B)  portIn(C)  portOut(Y)  OR(A, B, ab)  OR(ab, C, Y)} # ---------- Такт ----------clock{rt=2}(CLK) # ---------- ПЗУ программы ----------ram ROM{addrBits=16, dataBits=16, words=256}(A0=pc0, A1=pc1, A2=pc2, A3=pc3, A4=pc4, A5=pc5, A6=pc6, A7=pc7, A8=GND, A9=GND, A10=GND, A11=GND, A12=GND, A13=GND, A14=GND, A15=GND, WE=GND, CLK=GND, D0=GND, D1=GND, D2=GND, D3=GND, D4=GND, D5=GND, D6=GND, D7=GND, D8=GND, D9=GND, D10=GND, D11=GND, D12=GND, D13=GND, D14=GND, D15=GND, Q0=ir0, Q1=ir1, Q2=ir2, Q3=ir3, Q4=ir4, Q5=ir5, Q6=ir6, Q7=ir7, Q8=ir8, Q9=ir9, Q10=ir10, Q11=ir11, Q12=ir12, Q13=ir13, Q14=ir14, Q15=ir15) # ---------- PC + 1 ----------NOT(pc0, inc0)HA(A=pc1, B=pc0, S=inc1, C=ic2)HA(A=pc2, B=ic2, S=inc2, C=ic3)HA(A=pc3, B=ic3, S=inc3, C=ic4)HA(A=pc4, B=ic4, S=inc4, C=ic5)HA(A=pc5, B=ic5, S=inc5, C=ic6)HA(A=pc6, B=ic6, S=inc6, C=ic7)HA(A=pc7, B=ic7, S=inc7, C=ic8) # ---------- Когда переходить ----------NOT(fZ, nfZ)NOT(fC, nfC)AND(oJZ, fZ, tJZ)AND(oJNZ, nfZ, tJNZ)AND(oJC, fC, tJC)AND(oJNC, nfC, tJNC)OR3(A=oJMP, B=oCALL, C=tJZ, Y=j1)OR3(A=tJNZ, B=tJC, C=tJNC, Y=j2)OR(j1, j2, jmp) # ---------- Следующий PC и регистр PC ----------MUX2(A=inc0, B=ir0, S=jmp, Y=jn0)MUX2(A=inc1, B=ir1, S=jmp, Y=jn1)MUX2(A=inc2, B=ir2, S=jmp, Y=jn2)MUX2(A=inc3, B=ir3, S=jmp, Y=jn3)MUX2(A=inc4, B=ir4, S=jmp, Y=jn4)MUX2(A=inc5, B=ir5, S=jmp, Y=jn5)MUX2(A=inc6, B=ir6, S=jmp, Y=jn6)MUX2(A=inc7, B=ir7, S=jmp, Y=jn7)MUX2(A=jn0, B=sk0, S=oRET, Y=nx0)MUX2(A=jn1, B=sk1, S=oRET, Y=nx1)MUX2(A=jn2, B=sk2, S=oRET, Y=nx2)MUX2(A=jn3, B=sk3, S=oRET, Y=nx3)MUX2(A=jn4, B=sk4, S=oRET, Y=nx4)MUX2(A=jn5, B=sk5, S=oRET, Y=nx5)MUX2(A=jn6, B=sk6, S=oRET, Y=nx6)MUX2(A=jn7, B=sk7, S=oRET, Y=nx7)AND(nx0, nR, pd0)AND(nx1, nR, pd1)AND(nx2, nR, pd2)AND(nx3, nR, pd3)AND(nx4, nR, pd4)AND(nx5, nR, pd5)AND(nx6, nR, pd6)AND(nx7, nR, pd7)DFF(D=pd0, CLK=CLK, Q=pc0)DFF(D=pd1, CLK=CLK, Q=pc1)DFF(D=pd2, CLK=CLK, Q=pc2)DFF(D=pd3, CLK=CLK, Q=pc3)DFF(D=pd4, CLK=CLK, Q=pc4)DFF(D=pd5, CLK=CLK, Q=pc5)DFF(D=pd6, CLK=CLK, Q=pc6)DFF(D=pd7, CLK=CLK, Q=pc7) # ---------- Стек: одна ячейка ----------RBIT(D=inc0, LD=oCALL, nR=nR, CLK=CLK, Q=sk0)RBIT(D=inc1, LD=oCALL, nR=nR, CLK=CLK, Q=sk1)RBIT(D=inc2, LD=oCALL, nR=nR, CLK=CLK, Q=sk2)RBIT(D=inc3, LD=oCALL, nR=nR, CLK=CLK, Q=sk3)RBIT(D=inc4, LD=oCALL, nR=nR, CLK=CLK, Q=sk4)RBIT(D=inc5, LD=oCALL, nR=nR, CLK=CLK, Q=sk5)RBIT(D=inc6, LD=oCALL, nR=nR, CLK=CLK, Q=sk6)RBIT(D=inc7, LD=oCALL, nR=nR, CLK=CLK, Q=sk7) # ---------- Число из команды ----------MUX2(A=din0, B=ir0, S=ir11, Y=bv0)MUX2(A=din1, B=ir1, S=ir11, Y=bv1)MUX2(A=din2, B=ir2, S=ir11, Y=bv2)MUX2(A=din3, B=ir3, S=ir11, Y=bv3)MUX2(A=din4, B=ir4, S=ir11, Y=bv4)MUX2(A=din5, B=ir5, S=ir11, Y=bv5)MUX2(A=din6, B=ir6, S=ir11, Y=bv6)MUX2(A=din7, B=ir7, S=ir11, Y=bv7) # ---------- Табло PC и лампы A ----------display{bits=8, base="DEC", busSource="pc"}()led(acc7)led(acc6)led(acc5)led(acc4)led(acc3)led(acc2)led(acc1)led(acc0)