O computador hipotético Neander foi criado com intenções didáticas para permitir exercitar os conceitos básicos da arquitetura de Von Neumann. Ele foi inspirado no computador IAS, projetado por John Von Neumann, e visa facilitar ao aprendizado da programação em linguagem binária. Embora com dimensões reduzidas e muito primitivo para uso prático, ele é tão simples que você, sem muito esforço. pode programá-lo e projetá-lo.
Características:
- Largura de dados e endereços de 8 bits
- Dados representados em complemento de dois
- Um acumulador de 8 bits (AC)
- Um apontador de programa de 8 bits (PC)
- Um registrador de estado com 2 códigos de condição: negativo (N) e zero (Z)
Conjunto de instruções e ações executadas:
O conjunto de instruções do Neander compreende 11 instruções, codificadas por meio dos quatro bits mais significativos da palavra que contém o código da instrução.
| Código | Instrução | Comentário |
|---|---|---|
| 0000 | NOP | nenhuma operação |
| 0001 | STA end | armazena acumulador - (store) |
| 0010 | LDA end | carrega acumulador - (load) |
| 0011 | ADD end | soma |
| 0100 | OR end | "ou" lógico |
| 0101 | AND end | "e" lógico |
| 0110 | NOT | inverte (complementa) acumulador |
| 1000 | JMP end | desvio incondicional - (jump) |
| 1001 | JN end | desvio condicional - (jump on negative) |
| 1010 | JZ end | desvio condicional - (jump on zero) |
| 1111 | HLT | término de execução - (halt) |
Na Tabela acima, end significa endereço direto. Nas instruções STA, LDA, ADD, OR e AND, end corresponde ao endereço de operando. Nas instruções JMP, JN e JZ, end corresponde ao endereço de desvio. As ações efetuadas pelas instruções da tabela acima são apresentadas na tabela abaixo:
| Instrução | Comentário |
|---|---|
| NOP | nenhuma operação |
| STA end | MEM(end) ← AC |
| LDA end | AC ← MEM(end) |
| ADD end | AC ← MEM(end) + AC |
| OR end | AC ← MEM(end) OR AC |
| AND end | AC ← MEM(end) AND AC |
| NOT | AC ← NOT AC |
| JMP end | PC ← end |
| JN end | IF N=1 THEN PC ← end |
| JZ end | IF Z=1 THEN PC ← end |
Na Tabela acima, AC é o acumulador, MEM(end) significa conteúdo da posição end de memória, N e Z são os códigos de condição e ← representa uma atribuição.
Para definir uma organização para o computador Neander, é preciso inicialmente definir os elementos necessários. Esses dados podem ser retirados das próprias características do Neander:
- Largura de dados e endereços de 8 bits
- Dados representados em complemento de dois
- Um acumulador de 8 bits (AQ)
- Um apontador de programa de 8 bits (PC)
- Um registrador de estado com 2 códigos de condição: negativo (N) e zero (Z)
Assim, os seguintes elementos são necessários:
- Um registrador de 8 bits para o acumulador
- Um registrador de 8 bits para o PC (e, possivelmente, um registrador contador)
- Dois flip-flops: um para o código de condição N e outro para Z
- Uma memória de 256 posições de 8 bits cada
Considerações:
- O incremento do PC poderia ser feito de várias maneiras. Entre elas, são citadas a soma feita por meio da ULA, a soma feita por meio de um somador próprio e o uso de um registrador contador. Para a organização optou-se por esta última.
- Para cada registrador é necessário um sinal de “carga” correspondente, que indica quando o valor da sua entrada deve ser armazenado.
- Para atualizar os códigos de N e Z durante a operação de LDA, acrescentou-se uma operação de transferência por meio da ULA. Com isso, a ULA realiza cinco operações possíveis.
- As entradas X e Y da ULA, assim como as operações de NOT(X) e Y foram escolhidas a fim de simplificar as transferências. Com isso, a entrada X está permanentemente ligada à saída do acumulador AC, e a entrada Y da ULA está ligada ao RDM.
- O único registrador que recebe dados de duas fontes possíveis é o REM. Para solucionar este conflito, utiliza-se um multiplexador que seleciona entre o PC (sel=0) e o RDM (sel=1).
Na pasta simulador contém o executável do "Wneander", deve-se criar um programa lógico para o que você deseja fazer, salvar o arquivo .mem antes de executar e jogar na pasta do Neander abrir o terminal dentro da pasta via Linux (ou outro ambiente de teste que você possa utilizar) e executar os seguintes passos:
Na imagem acima o primeiro comando análisa todos os arquivos contidos na pasta, o segundo cria um arquivo de onda baseado no nome do seu tb (testbench) do Neander e o tempo fica dependente do que você implentou no "Wneander". Para executar esses comandos e abrir o arquivo de onda basta colocar este comando no seu terminal para baixar o necessário:
sudo apt-get install ghdl gtkwave geany
Fonte: WEBBER, Raul Fernando, Fundamentos de Arquitetura de Computadores. Porto Alegre, Bokman, 4ª Edição. 2012.
Imagem utilizada de base para o Neander feito:
Projeto Final do ano letivo de 2022 da matéria de Sistemas digitais ministrada pelo professor Edmar Bellorini e desenvolvida pelos alunos Eduardo Cozer, Geandro Silva e Vinicius Messaggi de Lima Ribeiro na Instituição de ensino superior UNIOESTE (Universidade Estadual do Oeste do Paraná)
 Eduardo Cozer |
 Geandro Silva |
 Vinicius Messaggi de Lima Ribeiro |