Projeto do SAP-1 construído no simulador

O projeto demonstrado aqui é baseado no circuito original apresentado por Malvino. O SAP-1 é construído com circuitos integrados, já neste projeto foram utilizados os blocos do simulador logsim que não tem relação com modelo e/ou fabricantes desses componentes. A visão do do projeto do SAP-1 construído no simulador é mostrada na Figura 1.

Contador de Programa

O contador de programa, mostrado na Figura 2, é representado por um registrador de 4 bits conectado a um circuito somador. Assim, uma das entradas do circuito somador é o valor atual de PC e a outra o valor 1. Esse circuito é controlado pelo sinal Cp, ativado no estado T2, que é responsável por habilitar o registrador durante o pulso de clock (!CLK). Além desses sinais, o registrador pode ser reiniciado a partir da entrada CLR. Já sua conexão com o barramento W é feita por um buffer tri-state controlado pelo sinal Ep.

Cabe ressaltar que o mesmo procedimento pode ser implementado por um conjunto de flip-flops, formando um contador assíncrono. Esse é o caso do projeto real do SAP-1.

Registrador de Endereços de Memória

O registrador REM, mostrado da Figura 3, é controlador pelo sinal !Lm. Durante o pulso de clock esse registrador armazenará os 4 bits menos significativos do barramento W. Esse valor é utilizado para endereçar a memória RAM.

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Registrador de Instruções

O registrador de instruções, mostrado na Figura 4, é composto por um elemento de memória de 8 bits. Esse registrador é controlado pelo sinal !Li que é responsável por habilitar o registrador durante o pulso de clock. Além desses sinais, o registrador pode ser reiniciado a partir da entrada CLR. Já sua conexão com o barramento W (somente os 4 bits menos significativos) é feita por um buffer tri-state controlado pelo sinal Ei. Cabe ressaltar que os 4 bits mais significativos determinam o código de operação da instrução, que é utilizado pela unidade de controle.

Registrador Acumulador

O registrador acumulador, mostrado na Figura 5, é composto por um elemento de memória de 8 bits. Esse registrador é controlado pelo sinal !La que é responsável por habilitar o registrador durante o pulso de clock CLK. Além desses sinais, o registrador é conectado ao módulo somador/subtrator, já sua conexão com o barramento W é feita por um buffer tri-state controlado pelo sinal Ea.

Registrador B

O registrador B, mostrado na Figura 6, é composto por um elemento de memória de 8 bits. Esse registrador é controlado pelo sinal !Lb que é responsável por habilitar o registrador durante o pulso de clock CLK. Esse registrador tem conexão apenas com o módulo somador/subtrador.

Módulo Somador/Subtrator

O módulo somador/subtrator é mostrado na Figura 7. Basicamente, esse circuito é composto de um elemento somador. Para realizar o processo de subtração a representação de valores em complemento de 2 é utilizada. Além disso, sua conexão com o barramento W é feita por um buffer tri-state controlado pelo sinal Eu.

Para entender sua operação, considere que o sinal Su em zero indica a operação de adição. Fazendo a operação XOR de B com 8 bits (com valores iguais ao de Su), temos o mesmo valor de B, isto é, qualquer valor XOR com zero resulta no mesmo valor. Dito de outra maneira, na operação de adição o circuito XOR não tem função. Além disso, com Su igual a zero, a entrada de carry in do circuito somador também não terá função. Desse modo, o resultador da operação é simplesmente A + B.

Já na operação de subtração o sinal Su será 1. Fazendo a operação XOR de B com 8 bits (com valores iguais ao de Su), temos o valor inverso de B (complemento de um), isto é, qualquer valor XOR com 1 resulta no seu complemento. Além disso, com Su igual a um, a entrada de carry in do circuito somador estará adicionado um na operação. Desse modo, o resultador da operação é simplesmente A + (~B + 1), isto é, a operação A – B. De modo resumido, o sinal Su em 1 determina o complemento de 2 da entrada B, fazendo com que a operação seja de subtração;

Registrador de Saída

O registrador de saída, mostrado na Figura 8, é composto por um elemento de memória de 8 bits. Esse registrador é controlado pelo sinal !Lo que é responsável por habilitar o registrador durante o pulso de clock. Esse registrador aciona um conjunto de 8 leds.

Controlador e Sequencializador

O circuito mostrado na Figura 9 apresenta o módulo contador em anel. Esse circuito é responsável por gerar os sinais de estado da unidade de controle. A cada pulso de clock o bit de valor 1 é deslocado no registrador. Esse bit tem seu valor determinado na condição de Reset. Além disso, devido à instrução HLT, o processamento é encerrado quando a instrução é decodificada. Essa operação foi implementada com uma lógica AND do sinal HLT com o pulso de clock.

Além dos sinais de controle, esse módulo tem como entrada a instrução atual armazenada no registrador de instruções. Para cada código de entrada um valor decodificado acionará somente um dos sinais, indicando qual instrução está sendo executada. Esse circuito é mostrado na Figura 10.

Esses sinais são utilizados como entradas da matriz de controle. A matriz de controle, mostrado na Figura 11, é o circuito lógico responsável por determinar as saídas que acionarão os outros elementos do SAP-1. Portanto, o circuito tem como entradas ativadas a instrução e o estado atual.

As funções booleanas para cada saída são mostradas abaixo:

• Cp=T2
• Ep=T1
• Li= NOT(T3) 
• Ea=OUT.T4
• Su=SUB.T6
• Lo= NOT(OUT.T4) 
• Lb= NOT((ADD.T5)+(SUB.T5)) 
• Eu=(ADD.T6)+(SUB.T6)
• La= NOT((LDA.T5)+(ADD.T6)+(SUB.T6)) 
• Ei= NOT((ADD.T4)+(LDA.T4)+(SUB.T4)) 
• CE= NOT(T3+(LDA.T5)+(ADD.T5)+(SUB.T5)) 
• Lm= NOT(T1+(LDA.T4)+(ADD.T4)+(SUB.T4)) 

Memória RAM

A memória RAM, mostrada na Figura 12, tem como sinal de controle a entrada CE. Com esse sinal em zero, os dados do endereço selecionado são passados para o barramento W.

Executando um Programa

Para testar o SAP-1, utilizou-se o programa de exemplo do primeiro artigo. Na Figura 13 é mostrado o conteúdo da memória, em que instruções e dados são armazenados.

Deste modo, basta gerar os pulsos de clock para o SAP-1 entrar em operação! Para manter o clock contínuo basta pressionar CTRL+K.

Projeto

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Referências

• [1] MALVINO, A.P. Microcomputadores e Microprocessadores. McGRAW-HILL do Brasil, 1985.
• Crédito da imagem destacada.