Название: Проектирование вычислительного устройства
Вид работы: курсовая работа
Рубрика: Информатика и программирование
Размер файла: 69.38 Kb
Скачать файл: referat.me-140544.docx
Краткое описание работы: Разработка общей структуры ЦВМ. Таблица микрокоманд. Операционный автомат центрального управляющего устройства. Синтез управляющего автомата с программируемой логикой.
Проектирование вычислительного устройства
Министерство общего и профессионального образования
Российского Федерации
Курский государственный технический университет
Кафедра ВТ
Пояснительная записка к
курсовому проекту
по дисциплине «Организация ЭВМ»
Проектирование вычислительного устройства
Выполнил: студент группы ВМ-62 Ильин А.В.
Принял : доцент Жмакин А.П.
Курск 1999
Содержание
1.Введение
2. Задание
3. Разработка общей структуры ЦВМ
3.1. Общая структура ЦВМ
3.2. Форматы команд
3.3. Таблица микрокоманд
3.4. Операционный автомат центрального управляющего устройства.
3.5. Командный цикл.
4. Проектирование АЛУ
4.1 Графы микропрограмм сложения и вычитания, умножения, деления, логических операций (and, or, xor).
4.2 Синтез I – автомата
4.3 Синтез управляющего автомата с «программируемой» логикой
4.4. Форматы микрокомманд
4.5. Кодирование ПЗУ МК.
5. Библиографический список
6. Приложение
1. Введение
В настоящее время существует две тенденции в проектировании средств вычислительной техники: во–первых, разработка устройств специализированных ЭВМ на основе микропроцессорных средств, во–вторых, реализация ЭВМ с использованием СБИС программируемых логических матриц, матриц программируемых логических элементов и базовых матричных кристаллов. Построение ЭВМ на СБИС связано не только с комплексированием микропроцессорных средств, что отражает первую тенденцию проектирования, но и с применением современных методов логического синтеза арифметико–логических и управляющих устройств, размещаемых на СБИС, а также методов оценки результатов проектирования.
Цель и задачи проектирования
Целью курсового проектирования является освоение методики проектирования и разработки операционных и управляющих устройств ЭВМ, а также подготовки технической документации на эти устройства. Курсовой проект является формой самостоятельной работы студентов. В период курсового проектирования студент должен закреплять, углублять, и умело применять теоретические знания для решения поставленных практических задач, работать с научно–технической литературой и конспектом лекций. Основное внимание при выполнении курсового проекта обращается на умение принимать технические решения и обосновывать их. Объектом курсового проектирования является специализированное вычислительное устройство, включающее процессор и запоминающее устройство. Процессор проектируется для заданного списка команд и должен удовлетворять заданным требованиям технического задания.
2.Задание
Система команд | АЛУ | ЗУ | УУ | Д | ||||
Адресность | Формат | Разр. бит | Тип ОА | Разр. бит | Емк. Кбайт | Тип УА | Разрядность | Способ адресации |
1 | AR, SI | 16 | M | 8 | 16 | ЖЛ | 16 бит | П, K |
3. Разработка общей структуры ЦВМ
3.1. Общая структура ЦВМ
Разрядность шины адреса (ША) вычисляем исходя из разрядности и емкости ЗУ.
Разрядность ЗУ=8бит =1байт. Т.о. можем адресовать 16/1= 214 бит. Т.е разрядность ША 14 бит.
|
|
![]() |
Структурная схема ЦВМ
Рис.1 Структурная схема ЦВМ
3.2. Форматы команд
Форматы выбираем из соображений, что регистров общего назначения (РОН) у нас 16.
В каждой команде должен быть зашифрован код операции (КОП), признак формата (ПФ) , а также признак адресации (прямая или косвенная П/О).
Отсюда:
формат AR
0 1 4 5 6 9 16
0 | КОП | ПО | R1 | X |
формат SI
0 1 5 6 7
1 | КОП | I |
S
Считаем, что у нас 16 РОНов, включая регистр аккумулятор (А) с адресом 0000, поэтому для их адресации используем 4 бита.
В поле признака адресации 1 – прямая адресация, 0 – косвенная, при чем, заметим, что в формате SI мы не используем прямую адресацию, так как это обусловлено самим форматом, а все остальные функции, как то – переходы, возврат из подпрограммы, работа с прерываниями и т.п. обуславливаются наличием “0” во втором бите.
3.3 . Таблица микрокоманд
Формат | КОП | Команды | Семантика |
1. AR | 0000 | ADD | A¬A+!R1 |
0001 | SUB | A¬A-!R1 | |
0010 | MUL | A¬A*!R1 | |
0011 | DIV | A¬A/!R1 | |
0100 | AND | A¬A&!R! | |
0101 | OR | A¬AL!R1 | |
0110 | XOR | A¬AÅ!R1 | |
0111 | MOV A,!R1 | A¬!R1 | |
1000 | MOV !R1,A | R1¬A | |
2.SI |
0xxxx | M(ADR),O1 | M(ADR):=O1 |
10000 | JMP | PC¬ADR | |
10001 | Z | PC¬ADR | |
10010 | ![]() |
PC¬ADR | |
10011 | C | PC¬ADR | |
10100 | ![]() |
PC¬ADR | |
10101 | OV | PC¬ADR | |
10110 | ![]() |
PC¬ADR | |
11000 | RET | SP:=SP+1 PC-M(SP) | |
11001 | EI | TI:=0 | |
11010 | DI | TI:=1 | |
11011 | HLT | ---- | |
11100 | RETI | ![]() |
|
11101 | NOP | ---- | |
11110 | CALL | M(SP) ¬PC PC¬ADR SP:=SP-1 |
Изначально указатель стека (SP) указывает на свободную ячейку памяти. Стек растет вниз.
ТI=0 – прерывание разрешено.
!R1 – указывает, что при методе косвенной адресации это выражение следует рассматривать как значение по адресу равному содержимому регистра R1, при этом при прямой адресации значение берется непосредственно из регистра R1.
3.4. Операционный автомат центрального управляющего устройства.
Граф-схема командного цикла операционного автомата приведена на чертеже КП.062.020.1999 в приложении.
![]() |
Рис.2. Операционный автомат ЦУУ
3.5. Командный цикл.
Задачей командного цикла является управление работой всего вычислительного устройства. Первым шагом является считывание операции из памяти, и модернизации счетчика команд на длину прочитанной операции. Затем если считанная операция предназначена для АЛУ, то в АЛУ передается код операции (КОП), а также во входные регистры АЛУ (ААЛУ , ВАЛУ ) заносятся необходимые операнды. После этого необходимо подать сигнал АЛУ на выполнение операции и ожидать окончания работы арифметико–логического устройства. Если же операция не принадлежит к числу операций АЛУ их выполняет устройство управления (УУ). Операциями АЛУ являются: + (сложение), – (вычитание), * (умножение), / (деление), &(конъюнкция) , v(дизъюнкция), Å(сложение по модулю 2). Устройство управления выполняет операции: JMP(безусловный переход), CALL(вызов подпрограммы), RET(выход из подпрограммы), :=(операция присваивания), (шесть условных переходов по флагам с, z, ov).
4. Проектирование арифметико-логического устройства
4. 1 Разработка алгоритмов арифметико-логических операций
Разрядность АЛУ 16 бит.
Первый операнд находиться в регистре А, второй в регистре B, результат в регистре С. Разрядность А – 16 бит, В и С – 17. Считаем, что при умножении переполнения не происходит. Предполагаем, что имеем сумматор-вычитатель.
Флаги АЛУ: Z – признак 0, C – перенос, OV – переполнение.
4. 1. 1 Алгоритм сложения-вычитания
Рисунок 3
4. 1. 2 Алгоритм произведения
Для операции умножения в регистр A помещается множимое, в регистр B мнножитель, в регистре C произведение. Младшим считается 15 разряд.
Рисунок 4
4. 1. 3 Алгоритм деления
При выполнении операции деления в регистр A содержит делимое, B делитель, C остаток (частное). Ниже приведен алгоритм деления целых чисел без восстановления остатка.
Рисунок 5
4. 1. 4 Алгоритм логических операций
Алгоритм логических операций AND, OR, XOR приведен на рисунке 6.
Рисунок 6
![]() |
4.2 Синтез I – автомата
В соответствии с методикой, изложенной в [3] получим:
Микрооперации используемые в микропрограммах +, -, /, * и логических операциях.
Y1 | B(0):=ùB(0) | Y15 | C:=C+1 |
Y2 | C:=A+B | Y16 | C(0):=1 |
Y3 | C:=A+ùB+1 | Y17 | C:=A(1:15) |
Y4 | ПП:=1 | Y18 | A(1:15):=B(2:16) |
Y5 | C(0):=A(0) | Y19 | C:=C+ùA(1:15)+1 |
Y6 | C:=B+ùA+1 | Y20 | C:=L1(C.0) |
Y7 | C(0):=B(0) | Y21 | Сч:=0 |
Y8 | Z:=0 | Y22 | B(1:16):=0 |
Y9 | C:=0 | Y23 | B(1:16):=L1(1:16).ùC(0) |
Y10 | Сч:=15 | Y24 | C:=B(1:15) |
Y11 | C:=C+A(1:15) | Y25 | C:=B |
Y12 | B(1:15):=R1(C(15).B(1:15)) | Y26 | C:=A&B |
Y13 | C:=R1(O.C) | Y27 | C:=AÚB |
Y14 | Сч:=Сч-1 | Y28 | C:=AÅB |
X1 | B(0) |
X2 | A(0)=B(0) |
X3 | C(0) |
X4 | A(0) |
X5 | C(1..15)=0 сравн с 0 |
X6 | B(15) |
X7 | Сч=0 |
X8 | B(1) |
X9 | A(0)ÅB(0) |
X10 | B(16) |
X11 | А=0 |
Разбиваем микрооперации на подмножества соответствующие внутренним словам ( регистрам).
YA ={y18 };
YB ={y1 ,y12 , y22 , y23 };
YC ={ y2 , y3 , y5 , y6 , y7 , y9 , y11 , y13 , y15 , y16 , y17 , y19 , y20 , y24 , y25 , y26 , y27 , y28 };
YСЧ ={ y10 , y14 , y21 };
YПП ={y4 };
YZ ={y8 };
На полученных множествах выделяем классы эквивалентных микроопераций Knj .
KA,1 ={y18 };
KB,1 ={y1 }; KB,2 ={y12 }; KB,3 ={y22 }; KB,4 ={y23 };
KC,1 ={y2, y3, y6, y11, y15, y19 };KC,2 ={ y5, y7, y16 };KC,3 ={y9 }; KC,4 ={y24 }; KC,5 ={y25 }; KC,6 ={y26 }; KC,7 ={y27 }; KC,8 ={y28 }; KC,9 ={y13 }; KC,10 ={y17 }; KC,11 ={y20 }
KСЧ,1 ={y10 }; KСЧ,2 ={y14 }; KСЧ,3 ={y21 }
KПП,1 ={y4 };
KZ,1 ={y8 }
Для KС1 составляем обобщенный оператор:
С:=А2+А1
где,
и
Соответственно и для этого класса строим обобщенный оператор ( в принципе присваивание как таковое можно и не выделять в отдельный класс, но тут изменяется только один бит регистра С, следовательно мы можем мультиплексировать операции работающие непосредственно с этим битом):
C(0):=B1
Схема синтезированного автомата представлена на рисунке Приложения 2.
4.3 Синтез управляющего автомата с «программируемой» логикой
С учетом кодирования, можно перерисовать выше приведенные алгоритмы операций в объединеную блок-схему. Объединенная и закодированая ГСА приведена на рисунке 7.
Рисунок 7
![]() |
Функциональная схема АЛУ представлена на чертеже КП.062.020.1999.Ф1.
4. 4 Форматы микрокоманд
Разобъем множество микроопераций Y, приведенных на рисунке 7, на три непересекающихся подмножества Y1 , Y2 , Y3 .
Множество логических условий X, состоит из десяти элементов:
Исходя из результатов разбиений, можно сделать вывод о том, что кодирование микроопераций нужно выполнить пятиразрядным кодом, а кодирование логических условий четырехразрядным. Результаты кодирования приведены в таблице . Форматы микрокоманд на рисунке 8.
Y1 | Y2 | Y3 | X | ||
00000 | yk | # | # | 0000 | # |
00001 | y1 | # | # | 0001 | x1 |
00010 | y2 | # | # | 0010 | x2 |
00011 | y3 | # | # | 0011 | x3 |
00100 | y4 | # | # | 0100 | x4 |
00101 | y5 | # | # | 0101 | x5 |
00110 | y6 | # | # | 0110 | x6 |
00111 | y7 | # | # | 0111 | x7 |
01000 | y8 | # | # | 1000 | x8 |
01001 | y9 | # | # | 1001 | x9 |
01010 | # | y10 | # | 1010 | x10 |
01011 | y11 | # | # | 1011 | x11 |
01100 | y12 | # | # | 1100 | # |
01101 | # | y13 | # | 1101 | # |
01110 | # | # | y14 | 1110 | # |
01111 | y15 | # | # | 1111 | 1 |
10000 | y16 | # | # | ||
10001 | y17 | # | # | ||
10010 | y18 | # | # | ||
10011 | y19 | # | # | ||
10100 | y20 | # | # | ||
10101 | # | y21 | # | ||
10110 | # | # | y22 | ||
10111 | # | y23 | # | ||
11000 | y24 | # | # | ||
11001 | y25 | # | # |
Рисунок 8
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | ||
0 | Y1 | Y2 | Y3 | ||||||||||||||
1 | X | Адрес | ´ | ´ | ´ | ´ | ´ | ´ | ´ |
Таким образом, регистр микрокоманд выбираем разрядностью в два байта. Емкость ПЗУ МК составит 128 байт. На рисунке 9 приведена структура управляющего автомата с программируемой логикой.
![]() |
Рисунок 9
4. 5 Кодирование ПЗУ МК
Приведем пример кодирования ПЗУ МК для операции сложения. Естественной адресацией МК будем считать выполнение МП по истиной ветви алгоритма (т.е. там, где значение логического условия равно 1). На рисунке 10 приведена ГСА операции умножения. В таблице приведен фрагмент кода ПЗУ МК для операции сложения.
Рисунок 10
![]() |
Адрес | Биты МК |
0001 | 0010010101011111 |
0010 | 1011001000000000 |
0011 | 0010111111111111 |
0100 | 0011000110101110 |
0101 | 1011100100000000 |
0110 | 1100010000000000 |
0111 | 0011111111111111 |
1000 | 1100110100000000 |
1001 | 0100001111111111 |
1010 | 1010111000000000 |
1011 | 0010001111111111 |
1100 | 0000001111111111 |
5. Библиографический список
1. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов Л. Энергия, Ленингр. отд-ние,1974г–216с,.
2. Колосков В.А. Проектирование вычислительного устройства: методические указания к
курсовому проекту / КГТУ 1996г.
3. Майоров С.А., Новиков Г.И. Структура электронных вычислительных машин. – Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. – 384 с.
6. Приложение
Похожие работы
-
Микропрограммные автоматы
Принцип микропрограммного управления. Управляющие автоматы с жесткой и программируемой логикой. Граф-схемы алгоритмов. Синтез управляющего автомата по граф-схеме алгоритма. Построение управляющего автомата с программируемой логикой на основе ПЗУ.
-
Шифратор фамилии на основе ДПСЧ
Разработка автомата для шифрования фамилии и передачи ее по последовательному каналу передачи информации, используя в качестве устройства защиты датчик псевдослучайных чисел с последовательностью максимальной длины. Разработка автомата для дешифровки.
-
Синтез мікропрограмних автоматів
Синтезування мікропрограмного автомата за схемою Уілкса-Стрінжера у вигляді автоматів Мілі та Мура. Основні дані про автомати, їх класифікація. Змістовна схема алгоритму та таблиця кодування операційних та умовних верхівок. Схема операційного автомата.
-
Определение оптимального по квадратичному критерию качества программного управляющего воздействия
Структурная схема объекта управления (ОУ). Граничные условия, критерий качества вида. Вид возмущающего воздействия. Аналитическое выражение оптимального программного управляющего воздействия u*(t), переводящее ОУ из начального состояния в конечное.
-
Логические системы в различных функциональных наборах и их реализация
Темой данного курсового проекта является разработка автомата, управляющего светящимися элементами, для отображения необходимого сообщения на табло.
-
Проектирование микроЭВМ на основе микропроцессорного комплекта серии 1804
Министерство образования Республики Беларусь Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники Кафедра ЭВМ Пояснительная записка
-
Моделирование работы конечного распознавателя для последовательно-сти элементов типа "дата" в немецком формате, разделенных запятыми и заключённых в фигурные скобки
Составление формальной грамматики, недетерминированный конечный автомат. Построение конечного автомата, программное моделирование работы конечного автомата. Граф детерминированного автомата, Синтаксическая диаграмма. Блок-схемы, примеры разбора строк.
-
Моделирование процессора (операционного и управляющего автоматов) для выполнения набора машинных команд
Принцип работы процессора (одномагистральная структура). Временные диаграммы, описывающие выполнение микроопераций для каждой команды. Структурная схема управляющего автомата на основе памяти с одним полем адреса. Описание процессора на языке Active VHDL.
-
Лисп-реализация конечных автоматов
Понятие и свойства конечного автомата, его назначение и сферы применения. порядок разработки специальной функции, реализующей конечный автомат. Способы описания данной функции, обоснование выбора одного из них. Программная реализация решения задачи.
-
Управляющие устройства и их виды
Анализ особенностей управляющих операционных устройств, которые позволяют выполнить преобразование некоторых кодов в соответствии с логикой выполняемой операции. Изучение основных типов управляющих устройств: с жесткой логикой; с микропрограммной логикой.