Laboratory Experiments in Computer Science and Engineering (Academic Year 2019, for 3rd grade undergraduate students, Friday, 3–5 periods)

情報・知能工学実験「マイクロプロセッサ」（2019年度，3年次，金曜，3–5限）

本資料の公開ページ: https://expcs.github.io/microprocessor/

Download page: https://expcs.github.io/microprocessor/

This materials are for a theme “Microprocessors” in Laboratory Experiments in Computer Science and Engineering, Toyohashi University of Technology, AY2019.

本資料は，2019年度に行われる豊橋技術科学大学 工学部 情報・知能工学系 情報・知能工学実験「マイクロプロセッサ」の資料です．

In charge of the theme: The first semester: Komei Hasegawa The second semester: Naohiro Fukumura

担当者: 　前期: 長谷川 　後期: 福村

Materials, 資料

• Slides (English): pdf/ppt
• スライド (日本語): pdf/ppt
• Cover, レポート表紙: pdf/doc
• Self-check list, 自己点検表: pdf/markdown
• Figure of KUE-CHIP2: pdf
• Record sheet for trace results, トレース結果記録用紙: pdf/xls

Notes, 注意事項

• The deadline of the report is 11.59 PM the next Friday of the day of the 3rd lecture.
• You should submit your report by e-mail (fukumura [at] cs.tut.ac.jp).
• The subject of the e-mail should be “[Report] [Your student ID] [Your name]” (e.g., [Report] B123456 Taro Toyohashi).
• Your report should be converted to PDF and be attached. The file name of the PDF should be “[Your student ID]-[Your name].pdf” (e.g., B123456-Taro_Toyohashi.pdf)．
• We will send a confirmation mail within 3 days after you submit your report. If you do not receive the confirmation mail, your e-mail could be in my spam mailbox. If you have this situation, visit the fuculty’s room (F-408).
• In order to avoid that your mail is classified as spam, send it via your e-mail address that our university gave you.
• If the file size of your attached file is huge and you can not send it via e-mail, use suitable web services such as Google Drive and Dropbox.
• レポートの締め切りは，第3回の実験が終わった1週間後の金曜日23:59です．
• レポートの受け取りはメールで行います（fukumura [at] cs.tut.ac.jp）．
• メールの件名は「[実験レポート] 学籍番号-名前」として下さい．例えば「[実験レポート] B123456-豊橋太郎」．
• レポートはPDFに変換して，メールに添付して下さい．そのとき添付ファイル名は「学籍番号-名前.pdf」として下さい．例えば「B123456-豊橋太郎.pdf」．
• レポート受領後，受領確認メールを3日以内に返信します．3日たっても確認メールが届かない場合は，迷惑メールに振り分けられた可能性があります．そのときは，お手数ですが，F-408を訪ねて下さい．
• できるだけ，学校のメールアドレスを使って送信してください．迷惑メールに入る可能性が減ります．
• PDFの容量が大きくて送信エラーが出る場合は，適切なWebサービスを使って，ダウンロードできるようなリンクを送ってください．

Notes for reports, 検討事項のポイント

• 3.1 (1) Explain the operation in each phase with sentences and figures.
• 3.1 (2)–(6) Discuss the condition for changing each flag.
• 3.1 (2)–(6) Explain the differences between ADD and ADC.
• 3.2 Explain your program with sentences and flowcharts.
• 3.2 Explain how to compute the theoretical execution time.
• 3.2 Compare the theoretical execution time with actual execution times.
• 3.2 Compare with other programs (at least two) in
  • point 1: execution time (either actual time or theoretical time),
  • point 2: program size.
• 3.3 Explain how to estimate a and b to generate 440 Hz (A).
• 3.3 Show how to calculate the error between the tone you generated and 440 Hz.
• 3.3 Discuss how to improve the accuracy of the generated notes by software and hardware schemes.
• 3.3 Show your score data and discuss your data expression.
• 3.3 Show another example of processors.
• Option Select a popular or familiar CPU and show its architecture.
• 3.1 (1) 各命令の各フェーズでの動作について指導書pp. 18–22を参考に図などを使いながら文章で説明する．
• 3.1 (2)–(6) 各フラグがどのようなときに変化するのかまとめる．
• 3.1 (2)–(6) ADD命令とADC命令の違いをまとめる．
• 3.2 使用したプログラムのリストを載せて，フローチャートと文章を用いて説明する．
• 3.2 実行時間の理論値の計算過程を説明する．
• 3.2 実行時間の理論値と実測値を比較する．
• 3.2 他の人（最低2人）のプログラムを比較，考察する．
  • 論点1: 実行時間（実測値，理論値，どちらでも可）
  • 論点2: プログラムのメモリ消費量
• 3.3 440 Hz（ラ）の音をだすときの，aとbの計算過程を示す．
• 3.3 設定したaとbによって定まる周波数と理論値440 Hzとの誤差の計算過程を示す．
• 3.3 周波数の精度を向上させるための，ソフトウェア上，ハードウェア上の対策に関して考察する．
• 3.3 楽譜データのデータ表現の特徴を説明する．
• 3.3 他のCPUを挙げて，作成したメロディー出力法がそのCPUで使えるかを考察する．
• Option 具体的なCPUを取り上げ，そのアーキテクチャを調べてまとめる．

Useful information

Example for Problem 3.2

For confirmation

1. 0028h * 04CDh = C008h
2. 00FCh * 00AEh = AB48h
3. 03ABh * 0025h = 87B7h
4. 132Dh * 000Bh = D2EFh

For measurement of execution times

• A. 03ABh * 0025h = 87B7h
• B. 0025h * 03ABh = 87B7h

Tips and frequent mistakes

Problem 3.2

• Do not branch with NF.
  • NF flags if CD-1=CC.
  • Branch with CF or ZF using SBC.
• Do not subtract 1 from the 1st byte of multiplier, when carry over.
• If the answer of the examples for confirmation (1) is 2008h, the 2nd byte of multiplier might be ignored (0028h * 00CDh = 2008h).
• If the answer of the examples for confirmation (1) is A008h, carry-up might not work. ADD might be used for ADC.
• If you code the multiplication with bit-shift and the answer of the examples for confirmation (1) is A848h, carry-up might not work.
• If you have problems, confirm results with simple multipliers such as 0001h, 0002h, 0010h, 0100h.
• Check whether LD and ADC work, by displaying ACC and step-executing.
• Check whether the loop is operated properly by displaying PC.
• 加算を繰り返す場合，NFで判定していないか（CD-1=CCでもNFが立つ．SBCを使ってCFかZFで判定する）．
• 乗数の繰り下がりの際に，同時に下位桁も-1していないか．
• 確認用例題 (1) の解が2008hとなる場合，上位桁が反映されていない．0028h * 00CDh = 2008h
• 確認用例題 (1) の解がA008hとなる場合，繰り上げ（CF）ができていない．ADCがADDになっている．
• シフトを用いて確認用例題 (1) の解がBF08h，確認用例題 (2) の解がA848hとなる場合も，繰り上げ（CF）ができていない．
• うまく動かない場合，x0001h，x0002h，x0010h，x0100hなどで動作確認．
• ACCを表示しながらステップ実行して，LDやADCができているか確認．
• PCを表示しながらステップ実行して，正しくループできているか確認．

課題3.3

• Check whether ‘IX’ increases by 3 for every steps.
• If the output is not 00/FF, check ACC between LD [image] and OUT. The process of branching for rest notes might change ACC.
• If you do not generate any tone, check the loop for n1.
• If the first tone continued longer time than you expected, check the loop for n2 and n3. It might be caused by an endless loop for rewriting or n2 and n3 are too huge.
• Debug with setting 1 or 2 for n1, n2, and n3.
• IXを表示し，3ずつ増えているか確認．
• 出力が00/FFでない場合，LD [image]からOUTの間のACCの値を確認．特に，その間に休符判定の処理を追加して，ACCの値が変わっていることが多い．
• 全く音がでない場合は，n1のループを確認．
• 最初の音がずっと続く場合は，n2とn3のループを確認．値を上書きして無限ループになっていたり，単に値が大きすぎる場合もある．
• 全く動かない場合は，n1，n2とn3の値を1や2にして，ステップ実行で1行ずつ動作確認．

Execution times and program sizes for Problem 3.2. (References) 課題3.2の実行時間と消費メモリ（参考）