課題５．マイクロプログラムを変更してMICRO-1機械命令の拡張を行う

課題：

機械命令を使ったデータ検索プログラムを題材にして、 マイクロプログラム 'MICROONE'の変更によって機械命令を拡張すること を考える。

上記プログラムはラベル TARGETの場所に設定した値のデータ (プログラムでは14に設定されているが変更可能) をラベル DATAから並んだ16個のデータの中から見つけ出すプログラムである。

データが見付かった場合は、そのデータが先頭から何番目にあるか(先頭を0 とした相対位置)をラベル RESULTの場所に格納する。

データが見付からなかった場合は、値FFFFをラベル RESULTの 場所に格納する。 MICRO-1に追加する「検索処理命令」は Rbで指定したレジスタにデータの先頭アドレス、 NDにデータの個数を設定し、Raで指定したレジスタに検索する値を設定すると、 検索処理を行う。 検索の結果、目的のデータが発見された場合は、 Rbで指定したレジスタにデータの場所を格納する。 データが発見できなかった場合は、Rbで指定したレジスタに値FFFFを 格納する。

追加した「検索処理命令」を使った場合の機械語プログラムでは 元のプログラムのループ処理(検索処理部分)を 1つの機械命令(EX命令)に置き換えている。

このプログラムと 命令追加の変更を行った 'MICROONE'を組み合わせて実行することで、 追加命令を使った検索処理プログラムが動作する。

'MICROONE'中でEX命令を処理している部分を変更することで、検索処理を行う 追加命令を実現し、シミュレータ上で実行せよ。

検索データの値(ラベル TARGETの場所に格納する値)を変えて、 データが存在する場合、存在しない場合のそれぞれについて動作確認を行うこと。

また、課題4と同様に、元のプログラム search --> と実行ステップ数を比較して、考察せよ。

実行ステップ数がどう変わったか？ 何故そうなるのか？ を必ず説明すること。
(ヒント： 専用命令を使う場合、1つの命令で多くの処理を担うことになるため、 命令サイクルのうちフェッチフェーズの処理回数が減ることになる)

注意１

'MICROONE'を修正するとその実行開始アドレス（デフォルトは101）も変わるため、 機械語プログラムを実行するときに指定する開始アドレスに注意する。 変更後の 'MICROONE' の実行開始アドレスを調べるためには、 'MICROONE.M' の中身を調べてラベル INIT のアドレス値を調べるとよい。
例えば、ラベル INIT のアドレス値が 10B であった場合は、 マイクロプログラムの実行開始アドレスも 10Bにすること。
※マイクロプログラム中の命令を追加あるいは削除した場合、このアドレス値も変化 するため、毎回確認すること。

注意２

マイクロプログラム 'MICROONE' の中では レジスタの6番と7番（R6, R7）はそれぞれ、 サブルーチン呼び出し時の戻り先PC値の保存の際に用いるスタックポインタ、 PUSH/POP命令でレジスタ値の保存の際に用いるスタックポインタ として使われているため、値を勝手に変更すると不具合を生じる場合がある。
またレジスタ0番から3番（R0〜R3）は機械語プログラムでも使用されるため、 これらのレジスタについても値を勝手に変更すると機械語プログラムが 正しく動作しなくなる可能性がある。

もしこれらのレジスタを使いたい場合は、 一旦レジスタの値をメモリ上に保存してから使用すること。 また、レジスタを使い終わったら、 メモリ上に保存しておいた値をレジスタにセットして元の値に戻すこと。

レジスタ4番と5番（R4, R5）については自由に使うことができる。
レジスタ4番（R4）にはフェッチフェーズにおいて 命令レジスタIRのND部の値が格納されているので、 必要に応じてこの値を使用することが出来る。

ヒント

'MICROONE' 内の(ファイルの最後の方にある)ラベル EX0 辺りから EX命令用のマイクロ命令を記述すればよい。
処理の内容としては以下のようなことを記述すればよいと考えられる。
※番号のついた各項目がそれぞれ一つのマイクロ命令に対応していると 考えてよい。

1. 　　レジスタ4番の値をカウンタCにセット
2. 　　レジスタ4番に0をセット
3. 　　もしカウンタCが0ならば(データが0個なので)ラベルEX2へ分岐
   　　同時にレジスタRBの値をレジスタ5番にセット
4. EX1:
   　　メモリ読み出しサイクル開始
   　　同時にレジスタ5番の値を＋１する
5. 　　メモリから読み出した値とレジスタRAの値を比較
6. 　　比較結果が0ならば(データが見付かったので)ラベルEX3へ分岐 　　同時にカウンタCの値を1減らす
7. 　　もしカウンタCの値が0であれば(すべて探し終わったので)ラベルEX2へ分岐
8. 　　レジスタ4番の値を＋１する
9. 　　ラベルEX1へ分岐(ループの先頭に戻る)
10. EX2:
    　　レジスタ4番に値FFFFをセット
11. EX3:
    　　レジスタRAにレジスタ4番の値をセット
    　　(これで命令の実行が終了なので)命令サイクルの最初に戻る

※他の方法でも構わない。

ヒントにおける注意点

• カウンタCが0であるかどうかの判定はCZフラグを調べるとよい。
  このフラグはカウンタCが0になると自動的に1がセットされるので、 SET操作などを使って比較を行なう必要はない。
  また、SET BY CやSET BY C-0とは記述できないので 注意する。
  

• カウンタCの値を1減らす操作は、EX文の C-1で行なう。 C:=C-1とは記述できないので注意する。
  

• 命令レジスタのRa部とRb部で指定された番号のレジスタに関して、 LBUSとRBUSに値をセットできるものが制限されるので注意する。
  例えば、Ra部で指定されたレジスタの値はRBUSのみ、 Rb部で指定されたレジスタの値はLBUSのみに設定できる。
  Rb部で指定されたレジスタの値はRBUSに設定したり、 Ra部で指定されたレジスタの値はLBUSに設定したりはできない。
  具体的には、記述言語においてRB:=RB+RAとは書けるが、 RB:=RA+RBとは書けないということである。
  

• ファイル名が8文字を超えるとアセンブラが誤動作するので、 8文字以内の短かいファイル名を付けること。
  例えば、MICROONE5 (9文字)などのファイル名にはしないこと。
  

• 命令サイクルの最初に戻る操作は、GOTO FETCHと記述するだけでよい。
  ※加算命令など他の命令の記述を参考にするとよい。
  

• 機械語プログラムに関して、アセンブルエラーが出ることがあるので、 機械命令とデータのアドレスを離しすぎないこと。
  また、分岐命令やサブルーチンコール命令の飛び先のアドレスについても同様に あまり離しすぎないこと。
  ※MICRO-1の機械命令では、L命令やST命令では 命令コードの下位8ビットの値を現在のPCの値に (符号付き)加算をすることで、対象アドレスを算出する仕様となっている。 そのため、現在のPCのアドレスを中心に -128〜+127の範囲を超えた場所にある データや命令を直接的に参照することができない。
  (PCからの相対アドレス指定の範囲外のアドレスのデータを参照するためには LX命令やSTX命令を使うとよい)