Architektur der Nova-Rechner

Die nachfolgenden Informationen wurden dem Handbuch How to use the Nova Computers (Data General Corporation 1970,1971) entnommen und ins Deutsche übersetzt.

Übersicht

• Einführung
• Die Befehlsstruktur
  • Adressierungsarten
  • Speicher
  • Grundstruktur der Befehle
• Die Befehle im Einzelnen
  • Befehle mit Speicherreferenzierung
  • Sprungbefehle und Speichermodifikation
  • Daten zwischen Speicher und Akkumulatoren bewegen
  • Arithmetik und Logik
  • Datenein- und -ausgabe
• Sonderbefehle
• Geräteadressen

Vom Typ her sind die Nova-Computer Universalrechner. Ihre Architektur basiert auf dem Von-Neumann-Modell. Sie benutzen eine Wortlänge (Daten- und Adressbus) von 16 Bit. Da das höchste Adressbit als Flag für eine indirekte Adressierung reserviert ist, können maximal 2¹⁵ = 32 768 Speicherplätze von jeweils 16 Bit adressiert werden (nach heutiger Bezeichnung sind das 64 kB). Der Programmzähler (program counter = PC) hat demzufolge eine Länge von 15 Bit
Alle Maschinen der Baureihe besitzen in der Recheneinheit vier 16-bit-Akkumulatoren (AC0, ..., AC3), von denen zwei als Indexregister verwendet werden können. Die logischen und arithmetischen Operationen arbeiten ausschließlich mit den Akkumulatoren. Jeder von ihnen kann dabei als Ergebnisregister dienen. Gleichzeitig zu einer solchen Operation können als Zusatzfunktionen ein bitweises Schieben des Akkumulatorinhalts und/oder ein vom Resultat abhängiges Überspringen des nächsten Befehls ausgeführt werden. Außerdem gibt es Befehle, um Daten (16-Bit Worte) vom Speicher in einen Akkumulator und zurück zu transportieren, den Inhalt von Speicherzellen zu erhöhen oder zu erniedrigen, Unterroutinen aufzurufen, Sprünge im Programmablauf vorzunehmen und um Daten über eine Schnittstelle (Interface) einzulesen oder auszugeben.
Externe Geräte können über ein I/O-Interface einen Interrupt auslösen. Für die Identifizierung der Interrupt-Quelle gibt es Hardware-Unterstützung durch ein Daisy-Chain-Verfahren. Für den schnellen Datentransfer von oder zu einem Peripheriegerät steht zusätzlich ein direkter Speicher-Zugriff (direct memory access = DMA) zur Verfügung.

Zahlendarstellung

Da Computer in der Regel mit Binärzahlen arbeiten, ist die Dezimaldarstellung von Zahlen etwas unpraktisch. Heute hat sich Darstellung im Hex-Format (Basis 16) allgemein durchgesetzt. In den Nova-Handbüchern wurde damals stattdessen durchgängig das Oktalformat (Basis 8) benutzt, das daher auch nachfolgend verwendet wird.
Bsp.:

  Dez.      Hex      Oktal
  7         7        7
  8         8        10
  10        A        12
  16        10       20
  255       FF       377

Alle Befehle sind genau ein Wort lang (16 Bit). Sie unterteilen sich in vier klar strukturierte funktionsabhängige Gruppen, so dass eine sehr einfache Dekodierung durch die logische Hardware der Zentraleinheit (Central processing unit = CPU) ermöglicht wird:

• Sprungbefehle (jump) und Speichermodifikationen (modify Memory)
• Daten zwischen Akkumulator und Speicher bewegen (move data)
• Arithmetik und Logik (arithmetic and logic)
• Ein- und Ausgabe (input-output)

Alle Befehle, die eine Speicherzelle adressieren (die ersten beiden o.g. Gruppen), können eine der folgenden Methoden benutzen:

• Direkte Adressierung (Adr. 0 .. 255)
• Relative Adressierung (Adr. [PC]-128 .. [PC]+127)
• Adressierung mit AC2 als Indexregister (Adr. [AC2]-128 .. [AC2]+127)
• Adressierung mit AC3 als Indexregister (Adr. [AC3]-128 .. [AC3]+127)

Alle Adressierungsarten können zusätzlich für eine indirekte Adressierung verwendet werden. Darüber hinaus kann durch Setzen des Bits 0 einer solchen indirekten, im Speicher abgelegten Adresse (nur die Bits 1..15 bilden eine gültige Adresse) die indirekte Adressierung mehrfach verkettet werden.

Es können maximal 32768 Speicherzellen adressiert werden (15 Bit). Jede Speicherzelle enthält 16 Bits (Programm oder Daten). Einige Speicherzellen haben eine besondere Bedeutung:

• 0..1: Für Interrupts benötigte Speicherplätze
• 20..27 (dez. 16..23): Automatisch inkrementierende Speicherplätze
• 30..37 (dez. 24..31): Automatisch dekrementierende Speicherplätze

Heute ist es üblich, die Bits eines Wortes (oder eines Bytes) von rechts nach links zu nummerieren (Bit 0 hat die niedrigste Wertigkeit, Bit 15 die höchste). In den Nova-Handbüchern ist dies genau anders herum erfolgt: Bit 0 ist das höchstwertige, Bit 15 das niederwertigste Bit. Daher wird diese heute ungewohnte Bezeichnungsweise für die nachfolgenden Beschreibungen übernommen.
Die vier oben genannten Befehlsgruppen werden durch die ersten drei Bits (Bit 0..2) gekennzeichnet:

Sprungbefehle und Speichermodifikation

Sind die drei Bits Null (0 0 0) handelt es sich um einen Sprungbefehl oder um einen Befehl zum Ändern einer Speicherzelle. Die Bits 3 und 4 bestimmen die Funktion (JMP, JSR, ISZ, DSZ), die Bits 6 und 7 die Adressierungsart (s.o.). Das Bit 5 kennzeichnet eine indirekte Adressierung, der 8-Bit-Wert Offset die absolute oder relative Adresse (s.o.):

Datentransfer

Haben die ersten drei Bits die Werte 0 0 1 oder 0 1 0 handelt es sich um einen Befehl, Daten vom Speicher zum Akkumulator (LDA) oder umgekehrt (STA) zu bewegen. Die Bits 3 und 4 geben den zu verwendenden Akkumulator an, die Bits 6 und 7 die Adressierungsart. Das Bit 5 kennzeichnet eine indirekte Adressierung, der 8-Bit-Wert Offset die absolute oder relative Adresse (s.o.):

Arithmetik und Logik

In diesem Fall ist das erste Bit (Bit 0) gesetzt. Die Bits 1 und 2 geben den Quellakkumulator und die Bits 3 und 4 den Zielakkumulator an. Die auszuführende Funktion wird mit den Bits 5 bis 7 (8 Funktionen: COM, NEG MOV, INC, ADC, SUB, ADD, AND) ausgewählt. Die Bits 8 und 9 legen eine Schiebebedingung (L, R, S), die Bits 10 und 11 eine Modifikation (Z, O, C) des Übertragbits (Carry) und die Bits 13 bis 15 eine vom Ergebnis abhängige Sprungbedingung (SKP, SZC, SNC, SZR, SNR, SEZ, SBN) fest:

Ein- und Ausgabe

Bei Befehlen, die eine Ein- oder Ausgabe von oder an ein Peripheriegerät bewirken, haben die ersten drei Bits den Wert 0 1 1. Die Bits 3 und 4 geben den Akkumulator an, der für die zu übertragenden Daten benutzt werden soll. Mit den Bits 5 bis 7 wird eine von 8 Ein-Ausgabe-Funktionen (NIO, DIA, DOA, DIB, DOB, DIC, DOC, SKP) ausgewählt. Mit den Bits 8 und 9 kann ein Steuersignal für das Interface (S, C, P) gewählt werde, die Bits 10 bis 15 geben die Adresse des Geräts an (0 .. 63):

Bei allen Befehlen, die eine Speicherzelle adressieren, haben die Bit 5..15 die gleiche Bedeutung:

Alle Adressen sind als Oktalzahlen angegeben.

Es lassen sich damit also direkt 1024 Speicherplätze adressieren: 256 direkt auf Seite Null, und jeweils 256 Plätze im Bereich um den Programmzähler, sowie um die Adressen in Akkumulatoren 2 und 3. Wenn das Indirektbit I gesetzt ist, kann der gesamte Speicher adressiert werden. Ist bei einer solchen indirekten Adresse das Bit 0 gesetzt, bedeutet dies eine verkettete indirekte Adressierung.
Bsp. für Adressierung:

  PC = 1415 (oktal)
  1. Befehl: OFFSET = -132, I = 0, INDX = 01 (rel Adr. zum PC)
     Speicher: [1415-132 = 1263] = 2431    (Inhalt der Speicherzelle 1263) 
     ==> eff. Wert = 2431  
  2. Befehl: OFFSET = -132, I = 1, INDX = 01 (rel Adr. zum PC)
     Speicher: [1415-132 = 1263] = 2431    (Inhalt der Speicherzelle 1263) 
               [2431] = 7425               (Inhalt der Speicherzelle 2431)
     ==> eff. Wert = 7425
  3. Befehl: OFFSET = -132, I = 1, INDX = 01 (rel Adr. zum PC)
     Speicher: [1415-132 = 1263] = 102431  (Inhalt der Speicherzelle 1263) 
               [2431] = 7425               (Inhalt der Speicherzelle 2431)
               [7425] = 6215               (Inhalt der Speicherzelle 7425)
     ==> eff. Wert = 6215

  ISZ   123        ; erhöhe den Inhalt von Adr. 123(8)
  ISZ   @123       ; erhöhe den Inhalt der Adresse, auf die in Adr. 123(8) zeigt
  ISZ   -12,3      ; erhöhe den Inhalt der Adresse [AC3]-12  

Die Ermittlung der effektiven Adresse ist zuvor beschrieben. Die Bits 3 und 4 legen die auszuführende Funktion fest:

Hinweis: Im Gegensatz zu den heute üblichen Prozessoren, gab es bei der beschriebenen Baureihe der Nova noch keinen Stack (spätere Modelle, z.B. Nova 4 waren damit ausgestattet). Daher erforderte das Verschachteln von Unterroutinen zusätzliche programmatische Maßnahmen. Da nach dem Aufruf einer Unterroutine (JSR) die Rückspringadresse im Akkumulator 3 (AC 3) abgelegt wurde, musste dieser vor Aufruf einer weiteren verschachtelten Unterroutine an geeigneter Stelle zwischengespeichert werden. Eine einfache, allerdings nicht ablaufinvariante (reentrant) Methode ist das folgende
Beispiel:

          ...
          JSR   Subr1    ; Sprung in Unterroutine
          ...
          JSR   Subr2    ; Sprung in Unterroutine
          ...
  Subr1:  ...
          JMP   0,3      ; Rücksprung 
          ...      
          0
  Subr2:  STA   AC3,Subr2-1        
          ...
          JSR   Subr1    ; Sprung in Unterroutine
          ...
          JMP   @Subr2-1 ; Rücksprung 
          ...

Die Ermittlung der effektiven Adresse ist oben beschrieben. Die Bits 1 und 2 legen die auszuführende Funktion fest, die Bits 3 und 4 den zu verwendenden Akkumulator:

Bsp.:

  LDA   1,23        ; Inhalt von Adr. 23 nach AC1
  LDA   0,5,3       ; Inhalt von [AC3]+5 nach AC0
  STA   1,.-3       ; Inhalt von AC1 nach [PC]-3
  STA   1,@23       ; Inhalt von AC1 nach Adr., auf die Adr. 23 zeigt
  STA   1,@1,3      ; Inhalt von AC1 nach Adr., auf die [AC3]+1 zeigt

Die größte Gruppe bilden die Befehle für Arithmetik und Logik. Sie sind durch eine 1 im Bit 0 gekennzeichnet. Alle Befehle beinhalten die Möglichkeit nach einer solchen Operation das Carry-Bit zu manipulieren, ein bitweises Schieben auszuführen und eine ergebnisabhängige Sprungbedingung zu erzeugen. Letzteres ist die einzige Möglichkeit Programmverzweigungen zu bewirken. Ist die Bedingung erfüllt, wird der nächste folgende Befehl übersprungen (Skip).

Schiebebefehle

Schieben nach links:


Schieben nach rechts:


Bytes vertauschen:

Bsp.:

  COM#    1,1,SZR     ; Skip, wenn AC1 = 177777(8)
  ...
  MOVZ    1,3         ; Schiebe AC1 nach AC3 und setze das Carrybit auf Null
  ...
  MOVL#   2,2,SZC     ; Ist AC2 positiv (Bit 0 = 1)?
  MOVOR   2,2,SKP     ; Nein, Carry = 1 und einmal rechts schieben (Division durch 2)
  MOVZR   2,2         ; Ja, Carry 0 0 une einmal rechts schieben (Division durch 2)
  ...
  SUBZ#   1,0,SZC     ; Skip, wenn AC0 < AC1
  ADCZ#   1,0,SZC     ; Skip, wenn AC0 ≤ AC0

Die nachfolgenden Befehle erlauben den Datentransfer und die Steuerung einer Elektronik für die Datenein- und -ausgabe. Es können damit 62 Geräte (Adressen 1 .. 62) adressiert werden. Die Geräteadresse 0 wird nicht benutzt, die Adresse 63 wird für einige Spezialfunktionen verwendet (z.B Einlesen der Datenschalter der Konsole und die Interruptsteuerung). Jedes Interface kann bis zu drei Datenpuffer A, B und C (16-Bit-Register) sowie vier Flags (in der Hardware durch D-Flip-Flops realisiert): Busy, Done, Int-Disable und Int-Request besitzen. Die Flags werden für das typische Handshake-Verfahren eingesetzt.
Im Ruhezustand sind Busy- und Done-Flag nicht gesetzt. Zu Beginn eines Datentransfer wird vom Programm das Busy-Flag gesetzt. Der weitere Ablauf hängt davon ab, ob es sich um eine Ein- oder Ausgabe handelt:
1. Eingabe
Das Busys-Flag signalisiert dem Gerät, dass ein Datenwort erwartet wird. Sobald dies übertragen ist, setzt das externe Gerät das Done-Flag. Das Done-Flag kann vom Programm abgefragt werden (SKPDx), so dass das übertragene Datenwort mit einem DIx-Befehl abgeholt werden kann (Polling).
Ist das Int-Disable-Flag nicht gesetzt, wird gleichzeitig mit dem Done-Flag das Int-Request-Flag gesetzt, um einen Interrupt anzufordern. Das Programm muss dann eine geeignete Interrupt-Routine bereitstellen.
2. Ausgabe
Nach Setzen des Busys-Flags wird vom Interface ein Datenwort an das externe Gerät ausgegeben. Dieses bestätigt den Empfang durch Setzen des Done-Flags. Die weitere programmatische Verarbeitung kann dann, wie zuvor bei der Eingabe beschrieben, durch Polling oder Interrupt erfolgen.

Es gibt eine Reihe von Sonderbefehlen für die Programmablauf- und Interruptsteuerung. Diese sind als Ein- und Ausgabebefehle mit der Geräteadresse 77 (CPU) realisiert.

Optional gab es eine einsteckbare Platine für eine hardware-kodierte Multiplikation (16x16 bit ⇒ 32 bit) und Division (32 bit ⇒ 16 bit Quotient und 16 bit Rest). Nachfolgend sind die zugehörigen Befehle aufgeführt. Die Mul/Div-Einheit wird mit der Geräteadressen 01 angesprochen.