Anz.	Bezeichnung	Datenblatt
1	Spannungsversorgung
1	CMOS-IC 4008
1	CMOS-IC 4013
1	CMOS-IC 4070
1	CMOS-IC 4071
2	CMOS-IC 4076
1	Widerstand 220 Ohm
2	4-Bit Dateneingabe
1	4-Bit Datenausgabe
1	Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm	3mm, 5mm

Die Spezialität eines Mikroprozessors gegenüber einer normalen digitalen Schaltung ist es, dass dieser Berechnungen und logische Verknüpfungen ausführen und auch den weiteren Programmablauf vom Ergebnis dieser Operation abhängig gemacht werden kann.

Eines der wichtigsten Kernelemente einer CPU ist die ALU (Arithmetical Logical Unit = Arithmetisch logische Einheit). Hier werden Berechnungen durchgeführt und auch logische Verknüpfungen finden in der ALU statt. In unserer ALU können neben Addition und Subtraktionen auch die logischen Verknüpfungen Und, Oder und Nicht ausgeführt werden. ALUs in modernen Prozessoren können weit mehr aber das würde hier den Bereich sprengen. Das Grundprinzip ist jedoch ähnlich dem, was wir hier entwerfen.

Eine ALU kann unter anderem Addition durchführen. Hierzu benötigen wir erst einmal einen Volladdierer. Wir können hier auf einen fertigen Baustein zurück greifen. Es ist der 4008. Wer nicht genau weiß, was ein Volladdierer ist, dem empfehle ich den Lehrgang Addierer - Digitale Mathematik. Der 4008 kann 2 4 Bit Zahlen addieren. Da wir hier ein 4-Bit-Prozessor aufbauen wollen, reicht dieses IC also aus.

Für die 2 Eingabe-Zahlen werden 2 Eingabe-Einheiten benötigt. Das Ergebnis stellen wir auf einer Ausgabeeinheit dar. Somit ergibt sich dann der folgende Aufbau für den 4008:

Nun kann man mit Hilfe der beiden Eingabeeinheiten 2 Zahlen miteinander addieren. Das Additionsergebnis wird binär auf der Ausgabeeinheit angezeigt. Leuchtet die LED D1 auf, hat das Rechenergebnis einen Überlauf erzeugt. Dies bedeutet, dass das Rechenergebnis größer als 15 ist, welches unser Addierer nicht mehr darstellen kann. In so einem Fall, zeigt das IC dies an seinem Carry-Ausgang an. Die Leuchtdiode wird angesteuert. Das Carry-Signal wird in späterer Entwicklung noch äußerst wichtig werden. Aber vorerst begnügen wir uns nur mit der Anzeige.

So gut die Addition mit der letzten Schaltung auch funktioniert, so hat diese doch einen schweren Nachteil. Wir erhalten nur ein Rechenergebnis, so lange wir die zu berechnenden Werte angelegt haben. Ändern wir die Eingaben, ändert sich auch sofort das Ergebnis.

Für einen Prozessor ist dies aber nicht nutzbar. Hier liegen die zu berechnenden Werte kurz am Datenbus an. Wir müssen also dafür sorgen, dass die Werte erhalten bleiben, nachdem die Werte kurzfristig am Datenbus anlagen.

Aber für solche Situation bietet die Digital-Elektronik eine ganze Menge Bausteine an. Diese nennen sich Register. Register sind im Grunde mehrere D-FlipFlops, bei denen der Takteingang zusammengefasst wurde. Im Lehrgang Flip Flops - Sie vergessen nie werden übrigens D-FlipFlops beschrieben, falls dies noch jemand einmal nachlesen möchte.

Hier soll ein Register-Baustein vom Typ 4076 verwendet werden. Dieser enthält ein 4 Bit-Register welches noch mit einigen Extras ausgestattet ist. In diesem Moment interessiert uns nur die eigentliche Register-Funktion.

Mit Hilfe der Register können wir den Addierer nun so ergänzen, dass dieser an ein Datenbus angeschlossen werden kann. Hierzu wird nun das erste Eingabe-Board zum simulierten Datenbus. Von der 2. Eingabeeinheit benötigen wir jetzt nur noch 2 Signale. Wir fügen die Register nun zum Addierer hinzu:

Wird die Schaltung in Betrieb genommen, kann man nun am 1. Eingabe-Board diverse Werte einstellen. Am Rechenergebnis geschieht nichts. Der Addierer wird jetzt erst aktiv, wenn wir Werte in die Register übernehmen. Hierzu müssen wir entweder den Taster von Q2.0 vom 2. Eingabe-Board oder den Taster Q2.1 betätigen. Soll eine komplette Berechnung durchgeführt werden, so sind folgende Schritte nötig.

- Einstellen des ersten Wertes auf der 1. Eingabeeinheit.

- Betätigung des 1. Tasters des 2. Eingabe-Boards (Q2.0) um den eingestellten Wert in IC2 (Register A) zu laden.

- Einstellen des zweiten Wertes auf der 1. Eingabeeinheit.

- Betätigung des 2. Tasters des 2. Eingabe-Boards (Q2.1) um den eingestellten Wert in IC3 (Register B) zu laden.

Das Rechenergebnis kann nun an der Ausgangsanzeige abgelesen werden.

Diese Bedienabfolge finden wir später auch in den zu definierenden Assemblerbefehlen wieder. Um eine 4-Bit Addition durchzuführen, könnte unsere Befehlsabfolge später so aussehen:

Das addieren klappt ja schon ganz gut. Nur, soll unsere ALU nicht nur addieren, sondern auch subtrahieren können. Aber wie funktioniert das?

Um zu subtrahieren, müssen wir den Wert des B-Registers negieren und auch den Carry-Eingang auf 1 setzen. Carry können wir mit der neuen Steuerleitung für Addition/Subtraktion verbinden. Was aber noch fehlt, ist ein Baustein, mit denen wir die Ausgabe des B-Registers bei Bedarf negieren können. Bei einer Addition hingegen, soll das Register B unverfälscht weiter gegeben werden.

Wenn wir uns die Logiktabellen der verschiedenen Gatter ansehen, stoßen wir auf das Exklusiv-Oder-Gatter:

An einem Eingang wird ein Bit des B-Registers angeschlossen. Am zweiten Eingang schließen wir das Steuersignal für die Addition/Subtraktions-Auswahl an. Wird nun die Addition gewählt (Steuersignal = 0) werden die Bits unverändert übertragen. Setzen wir jedoch das Steuersignal auf 1 (Subtraktion) wird das Datenbit invertiert.

Jetzt können wir mit Q2.2, also den 3. Taster des 2. Eingabeboards auswählen, ob addiert oder subtrahiert werden soll. Es muss noch beachtet werden, dass die Carry-Anzeige (D1) sich bei der Subtraktion ebenso invertiert verhält. Also ein Überlauf ist bei der Subtraktion dann vorhanden, wenn die LED aus ist.

Unseren späteren Assembler-Befehlsatz können wir nun schon den 3. Befehl hinzufügen:

Die ALU hat nicht nur die Aufgabe, Werte zu addieren oder zu subtrahieren, sondern sie soll auch die so genannten Flags erzeugen. Flags sind Signale, welche bestimmte Zustände eines Rechenergebnisses anzeigen, also Flagge bei bestimmten Ergebnisse zeigen.

Solche Flags werden benötigt um die CPU später Entscheidungen treffen zu lassen. Erst dadurch erhält die CPU ihre 'Intelligenz'. Würde es die Flags nicht geben, wäre eine CPU nur eine einfache Rechenmaschine.

Bei unserer CPU verwenden wir nur die beiden wichtigsten Flags. Das Zero und das Carry-Flag. Vom letzteren haben wir ja bereits schon was gelernt. Dieses muss zwar auch noch weiter aufbereitet werden, ist aber im Grunde schon fertig. Daher kümmern wir uns jetzt erst einmal um das Zero-Flag.

Ein Zero-Flag wird immer dann gesetzt, wenn das Ergebnis einer Rechenoperation oder Logikfunktion 0 ergibt, wie der Name dieses Flags ja bereits sagt. Schauen wir uns erst einmal an, wenn das Flag nicht gesetzt wird. Also sobald nur ein Bit der 4 Eingänge S0-S3 1 ist, soll das Flag gelöscht sein. Um festzustellen ob eines der Bits 1 ist, können wir Oder-Gatter verwenden. Zwar gebt der Ausgang ein 1-Signal aus, wenn ein Bit gesetzt ist, da wir aber die Leuchtdiode 'falsch' herum an das Oder-Gatter anschließen, leuchtet diese auf, wenn keines der Eingänge 1 hat. Der Ausgang also 0 ist. Nun haben wir hier aber ein Problem. Das Zero-Flag wird zwar erzeugt. Bleibt aber nur so lange aktiv, bis der nächste Assemblerbefehl abgearbeitet wird. Soll das Flag aber erst bei späteren Befehlen ausgewertet werden, so müssen wir uns das Flag 'merken' bis es durch eine andere mathematische oder logische Operation dieses wieder verändert wird. Es muss also ein D-FlipFlop dazu geschaltet werden.

Zum Speichern des Flags können wir ein schon bekanntes IC verwenden. Den 4013. Um den Flag-Status in das FlipFlop zu übernehmen, brauchen wir noch eine 'Berechnung fertig'-Leitung. Hierfür verwenden wir den letzten freien Taster des Q2-Eingebeboards. Wird nun eine Berechnung durchgeführt, muss anschließend noch kurz Q2.3 aktiviert werden, um das Zero-Flag zu übernehmen. Dieses steht nun, für eine spätere Verwendung, zur Verfügung. Durch dieses Flag haben wir jetzt schon die Grundlage für eine Reihe der wichtigsten Befehle geschaffen. Es können jetzt Vergleiche angestellt werden. Hierzu wird einfach eine Subtraktion durchgeführt. Das Ergebnis wird hierbei einfach ignoriert. Sind beide Werte gleich, ist das Ergebnis ja 0, also das Zero-Flag gesetzt. Bei Ungleichheit ist das Flag gelöscht.

Später können wir Befehle einsetzen, die das Zero-Flag auswerten:

wird fortgesetzt ...