Sequential Logic

Question 3

(a) Look at the following diagram and text description for a program counter (PC) from figure 3.5 of the textbook:

inc        load     reset

Chip  name:  PC     //  16-bit  counter

Inputs:         in[16],  inc,  load,  reset

Outputs:     out[16]

Function:    If  reset(t-1)  then  out(t)=0

else  if  load(t-1)  then  out(t)=in(t-1)

else  if  inc(t-1)  then  out(t)=out(t-1)+1 else  out(t)=out(t-1)

Comment:       "="  is  16-bit  assignment.

"+"  is  16-bit  arithmetic  addition.

Draw an implementation of the PC chip without the reset wire.  That is, draw an implementation of the PC that can handle signals from the inc and the load wires but doesn’t provide a reset function.

Note, you do not have to express your solution in terms of primitive gates such as Nand. You can use large scale chips such as Inc16. [10 marks]

[Total for Question 3:  10 marks]

Hack Assembler and Machine Code

Question 4

For the following questions you may find the information in Figures 3, 4, 5, 6 and 7 in the appendix of this paper useful.

(a) Look at the following Hack machine code:

0000000000010000

1111110000010000

0000000000010001

1111000111001000

1111110000010000

0000000000000000

1110001100000001

Answer the following:

i. Using the instruction formats in Figures 3, 4, 5, 6, and 7 as a guide, write down the Hack assember instructions that are equivalent to this code. [7 marks]

ii. Describe what the machine code above does. [3 marks]

[Total for Question 4:  10 marks]

Computer Architecture

Question 5

For the following questions you may find the information in Figures 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8 in the appendix of this paper useful.

(a) Draw an implementation of the logic that implements the JNE (jump not- equal-to) part of the C-instruction. The interface for the JNE is:

j1 j2 j3   zr ng

load

where the inputs are the jump wires from the C instruction and the zr and the ng wires from the ALU and the ouput is the load wire for the PC register. Note that you do not have to implement the logic for every type of jump – just JNE. Hint, in answering your question you may find the information in Figure 7 useful. [6 marks]

(b) Consider the following diagram of the Hack CPU.

The A/M wire, marked with an X, selects either the A-register or RAM as one of the input values for a C-instruction.  In the Hack machine a C-instruction cannot access both the A-register and RAM as input in the same instruction. So, for example, the following instruction:

D=M+A

Is not a valid Hack instruction since it has both M and A as input.

Briefly describe why such access is unlikely to be useful even if it were permit- ted by the Hack machine. [3 marks]

[Total for Question 5: 9 marks]

Assembler

Question 6

(a) Look at the following Hack assembler code:

@x

M=0

@y

M=0

(LOOP)

@x

MD=M+1

@y

M=M+D

@3

D=D-A

@LOOP

D;JLE

Hand-assemble this code by writing out the binary machine code the assembler would produce. For this question you may find the information in Figures 3, 4, 5, 6, and 7 useful. [12 marks]

[Total for Question 6:  12 marks]

Virtual Machine - Expressions

Question 7

(a) Translate the following Jack let statement into Hack Virtual Machine lan- guage:

let  d  =  (2  -  x)  *  (y  +  5)

The variables d, x and y are in memory segment local at indexes 2,5 and 7 respectively.  Assume there is a function named multiply that will take two arguments and return the result of multiplying the two numbers together. [8 marks]

[Total for Question 7: 8 marks]

Parsing

Question 10

(a) Turn the following Jack code fragment into XML with one node for each non- terminal in the grammar.

let  x[ix]  =  y  ;

You should start with a node for a let statement and you may omit nodes for any keywords, identifiers or symbols. The grammar can be found in Figure 9 in the appendix. [8 marks]

[Total for Question 10: 8 marks]

Code Generation

Question 11

(a) Consider the following Jack method:

//  class  Complex  contains  4  instance  variables

//  declared  in  this  order:  aa,  bb,  cc  and  dd,  aa  is  an  Array method  Complex  useful(Complex  a,  Complex  b)

{

}

What Hack Virtual Machine language code would implement the following Jack pro- gram fragments if they were in the body of the method useful?

i.                let  b  =  Complex.new(3,2)  ;[4 marks]

ii.                aa[7]  =  a  ; [6 marks]

iii.                 return  b  ; [2 marks]

iv.                 let  bb  =  dd  ; [3 marks]

(b)  Show the two symbol tables for the following code just after the variable declaration in the method getSerial has been parsed.

class  SerialNums

{

static  int  id  ;

field  int myid  ;

constructor  SerialsNums  new(int  key)

{

let myid  =  id  ;

return  this  ;

}

method  int  getSerial(int  password)

{

var  int  ignore_me  ;

return myid  ;

}

}

[4 marks]

[Total for Question 11:  19 marks]

Jack OS, Optimisation

Question 12

(a) Why might implementing a 16-bit multiply operation in the ALU of the Hack machine significantly increase the time it takes to execute an instruction that sets the A and D registers to the value 0? [3 marks]

(b) What three aspects of a processor’s physical implementation determine the power consumption and how is this calculated? [4 marks]

[Total for Question 12: 7 marks]