Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Организация эвм» Проектирование вычислительного устройства
| Вид материала | Пояснительная записка |
- Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине: «Организация эвм, комплексов, 486.74kb.
- Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине: «Объектно-ориентированное, 43.57kb.
- Государственная Академия Управления имени С. Орджоникидзе Институт национальной и мировой, 399.35kb.
- Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «методы оптимизации», 29.18kb.
- Пояснительная записка к курсовому проекту на тему «Машина Тьюринга» по дисциплине, 256.01kb.
- Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине " системный анализ", 565.1kb.
- Пояснительная записка к курсовому проекту на тему «Ранг матрицы» по дисциплине, 251.76kb.
- Пояснительная записка к курсовому проекту на тему «Кодирование информации методом Шеннона-Фано», 253.27kb.
- Кафедра Вычислительной Техники проектирование дискретного устройства методические указания, 224.3kb.
- Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «разработка сапр», 174.54kb.
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Курский государственный технический университет
Кафедра ВТ
Пояснительная записка к
курсовому проекту
по дисциплине «Организация ЭВМ»
Проектирование вычислительного устройства
Выполнил: ст. гр. ВМ-62 Глебов Е.Г.
Проверил: доцент Жмакин А.П.
Курск 1999г.
Содержание
1. Введение 3
1.1 Цель и задачи проектирования 3
2.Задание 3
3. Разработка общей структуры ЦВМ 4
3.1 Общая структура ЦВМ 4
3.2 Форматы команд 4
3.3 Таблица микрокоманд 6
3.4 Операционный автомат центрального управляющего устройства. 7
3.5. Командный цикл. 7
4. Проектирование АЛУ 8
4.1 Графы микропрограмм сложения и вычитания, умножения, деления, логических операций (and, or, xor). 9
4.2 Синтез М – автомата 12
4.3 Синтез управляющего автомата с «жесткой» логикой 17
5. Библиографический список 22
6. Приложение 22
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.
1.1 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 | Характер данных | ||||
| Адресность | Формат | Разр. бит | Тип ОА | Разр. Бит | Емк. Кбайт | Тип УА | Разрядность | Способ адресации |
| 1 | RS, AS | 16 | M | 16 | 32 | ЖЛ | 16 бит | П О |
3. Разработка общей структуры ЦВМ
3.1 Общая структура ЦВМ
Разрядность шины адреса (ША) вычисляем исходя из разрядности и емкости ЗУ.
Разрядность ЗУ=16бит =2байта =1 слово. Т.о. можем адресовать 32/2= 214 бит. Т.е разрядность ША 14 бит.
Структурная схема ЦВМ
ШД
РОНы
ЦУУ
Rg
B
ОЗУ
А
В
вааааа
АЛУ
чт РОН чт РОНзап зап
РОН РОН
ША
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 относительная П/О).
Отсюда:
формат AS,RS
0 1 2 5 6 9 20 30 31
| 00 | КОП | R1 | X | S2 | П/О |
Операции передачи управления, присваивания, возврата из подпрограммы реализуем в следующих форматах.
0 1 2 5 20 30 31
| 10 | КОП | X | А | 1 |
0 1 2 5 31
| 11 | КОП | |
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 – относительная.
3.3 Таблица микрокоманд
| Формат | КОП | Команды | Семантика |
| 1. RS | 0000 | Add | R1R1+  |
| 0001 | Sub | R1R1- | |
| 0010 | Mul | R1R1* | |
| 0011 | Div | R1R1/ | |
| 0100 | And | R1R1& | |
| 0101 | Or | R1R1 | |
| 0110 | Xor | R1R1 | |
| 0111 | | R1 | |
| 1000 | | R1 | |
| | 1001 | Команды пересылки | SPA |
| 1010 | BRR | ||
| 1011 | RBR | ||
| 1100 | AR | ||
| 1101 | RA | ||
| Call JMP Усл.пер. | 000 | JMP | PCA |
| 001 | Z | PCA | |
| 010 |  | PCA | |
| 011 | C | PCA | |
| 100 |  | PCA | |
| 101 | OV | PCA | |
| 110 |  | PCA | |
| 111 | CALL | M(SP)PC PCA SP:=SP-1 | |
| RET | 1000 | RET | SP:=SP+1 PCM(SP) |
| EI | 1001 | EI | TI:=0 |
| DI | 1010 | DI | TI:=1 |
| HLT | 1011 | HLT | ---- |
Изначально указатель стека (SP) указывает на свободную ячейку памяти. Стек растет вниз.
ТI=0 – прерывание разрешено.
3.4 Операционный автомат центрального управляющего устройства.
0 31
РгD
УУ
RB
PC
SP
MS
Гот.ОЗУ Гот АЛУ
Флаги
АЛУ
Набор МО
S
ШД
ША
RgKода
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), (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 АЛУ
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 Графы микропрограмм сложения и вычитания, умножения, деления, логических операций (and, or, xor).
Сложение, Вычитание
И
значально Z=1
Умножение
Изначально Z=1
Деление
Изначально Z=1
Логические операции
Изначально Z=1
4.2 Синтез М – автомата
В соответствии с методикой, изложенной в [3] получим:
Микрооперации используемые в микропрограммах +, -, /, * и логических.
| Y1 | B(0):=B(0) | Y15 | C:=C+1 | X1 | B(0) |
| Y2 | C:=A+B | Y16 | C(0):=1 | X2 | A(0)=B(0) |
| Y3 | C:=A-B | Y17 | C:=A(1:15) | X3 | C(0) |
| Y4 | ПП:=1 | Y18 | A(1:15):=B(2:16) | X4 | A(0) |
| Y5 | C(0):=A(0) | Y19 | C:=C-A(1:15) | X5 | C(1..15)=0 сравн с 0 |
| Y6 | C:=B-A | Y20 | C:=L1(C.0) | X6 | B(15) |
| Y7 | C(0):=B(0) | Y21 | Сч:=0 | X7 | Сч=0 |
| Y8 | Z:=0 | Y22 | B(1:16):=0 | X8 | B(1) |
| Y9 | C:=0 | Y23 | B(1:16):=L1(1:16).C(0) | X9 | A(0)B(0) |
| Y10 | Сч:=15 | Y24 | C:=B(1:15) | X10 | B(16) |
| Y11 | C:=C+A(1:15) | Y25 | C:=B | X11 | 0100 |
| Y12 | B(1:15):=R1(C(15).B(1:15)) | Y26 | C:=A&B | X12 | 0101 |
| Y13 | C:=R1(O.C) | Y27 | C:=AB | X13 | 0110 |
| Y14 | Сч:=Сч-1 | Y28 | C:=AB | | |
Операторы, реализованные М-автоматом
| Ym | Микрооперации | Операторы | |||
| A1=Si | A2=Sj | Z:=m(A1,A2) | Sk:=T | ||
| Y1 | B(0):=B(0) | | A2:=B | T(0):=A2(0) | B(0):=T |
| Y2 | C:=A+B | A1:=A | A2:=B | T:=A1+A2 | C:=T |
| Y3 | C:=A-B | A1:=A | A2:=B | T:=A1-A2 | C:=T |
| Y4 | ПП:=1 | | | T:=100..0 | ПП:=T |
| Y5 | C(0):=A(0) | A1:=A | | T(0):=A(0) | C(0):=T(0) |
| Y6 | C:=B-A | A2:=B | A2:=A | T:=A1-A2 | C:=T |
| Y7 | C(0):=B(0) | A2:=B | | T(0):=A1(0) | C(0):=T(0) |
| Y8 | Z:=0 | | | | Z:=T |
| Y9 | C:=0 | | | | C:=T |
| Y10 | Сч:=15 | | | T:=15 | Сч:=T |
| Y11 | C:=C+A(1:15) | A1:=C | A2:=A | T:=A1+A2(1:15) | C:=T |
| Y12 | B(1:15):=R1(C(15).B(1:15)) | A1:=C | A2:=B | T:=R1(A1(15).A2(1:15)) | B(1:15):=T |
| Y13 | C:=R1(O.C) | | A2:=C | T:=R1(0.A2) | C:=T |
| Y14 | Сч:=Сч-1 | | A2:=Сч | T:=A2-1 | Сч:=T |
| Y15 | C:=C+1 | A1:=C | | T:=A1+1 | C:=T |
| Y16 | C(0):=1 | | | T:=1000.. | C(0):=T(0) |
| Y17 | C:=A(1:15) | | A2:=A | T:=A2(1:15) | C:=T |
| Y18 | A(1:15):=B(2:16) | | A2:=B | T:=A2(2:16) | A(1:15):=T |
| Y19 | C:=C-A(1:15) | A1:=C | A2:=A | T:=A1-A2(1:15) | C:=T |
| Y20 | C:=L1(C.0) | | A2:=C | T:=L1(A2.0) | C:=T |
| Y21 | Сч:=0 | | | | Сч:=T |
| Y22 | B(1:16):=0 | | | | B(1:16):=T |
| Y23 | B(1:16):=L1(1:16).C(0) | A1:=C | A2:=B | T:=L1(A1(1:16).A1(0)) | B(1:16):=T |
| Y24 | C:=B(1:15) | | A2:=B | T:=A2(1:15) | C:=T |
| Y25 | C:=B | | A2:=B | T:=A2 | C:=T |
| Y26 | C:=A&B | A1:=A | A2:=B | T:=A1&A2 | C:=T |
| Y27 | C:=AB | A1:=A | A2:=B | T:=A1A2 | C:=T |
| Y28 | C:=AB | A1:=A | A2:=B | T:=A1A2 | C:=T |
Управляющие сигналы и операторы (микрооперации) М-автомата.
| Выборка операндов | Преобразование слов | Загрузка результата | |||||
| aj | A1=Si | bj | A2=Sj | m | m(A1,A2) | dk | Sk:=T |
| A1 | A1:=A | B1 | A2:=B | 1 | T(0):=A2(0) | D1 | B(0):=T(0) |
| A2 | A1:=B | B2 | A2:=A | 2 | T:=A1+A2 | D2 | C:=T |
| A3 | A1:=C | B3 | A2:=C | 3 | T:=A1-A2 | D3 | ПП:=T |
| | B4 | A2:=Сч | 4 | T:=100..0 | D4 | C(0):=T(0) | |
| | 5 | T(0):=A(0) | D5 | Z:=T | |||
| 6 | T:=15 | D6 | Сч:=T | ||||
| 7 | T(0):=A1(0) | D7 | B(1:15):=T | ||||
| 8 | T:=A1+A2(1:15) | D8 | A(1:15):=T | ||||
| 9 | T:=R1(A1(15).A2(1:15)) | D9 | B(1:16):=T | ||||
| 10 | T:=R1(0.A2) | | |||||
| 11 | T:=A2-1 | ||||||
| 12 | T:=A1+1 | ||||||
| 13 | T:=A2(1:15) | ||||||
| 14 | T:=A2(2:16) | ||||||
| 15 | T:=A1-A2(1:15) | ||||||
| 16 | T:=L1(A2.0) | ||||||
| 17 | T:=L1(A2(1:16).A1(0)) | ||||||
| 18 | T:=A2 | ||||||
| 19 | T:=A1&A2 | ||||||
| 20 | T:=A1A2 | ||||||
| 21 | T:=A1A2 | ||||||
Кодирование микроопераций наборами управляющих сигналов.
| МО | ai | bj | lm | dk | МО | ai | bj | lm | dk |
| Y1 | - | B1 | 1 | D1 | Y15 | A3 | - | 12 | D2 |
| Y2 | A1 | B1 | 2 | D2 | Y16 | - | - | 4 | D4 |
| Y3 | A1 | B1 | 3 | D2 | Y17 | - | B2 | 13 | D2 |
| Y4 | - | - | 4 | D3 | Y18 | - | B1 | 14 | D8 |
| Y5 | A1 | - | 5 | D4 | Y19 | A3 | B2 | 15 | D2 |
| Y6 | A2 | B2 | 3 | D2 | Y20 | - | B3 | 16 | D2 |
| Y7 | A2 | - | 7 | D4 | Y21 | - | - | - | D2 |
| Y8 | - | - | - | D5 | Y22 | - | - | - | D9 |
| Y9 | - | - | - | D2 | Y23 | A3 | B1 | 17 | D9 |
| Y10 | - | - | 6 | D6 | Y24 | - | B1 | 13 | D2 |
| Y11 | A3 | B2 | 8 | D2 | Y25 | - | B1 | 18 | D2 |
| Y12 | A3 | B1 | 9 | D7 | Y26 | A1 | B1 | 19 | D2 |
| Y13 | - | B3 | 10 | D2 | Y27 | A1 | B1 | 20 | D2 |
| Y14 | - | B4 | 11 | D6 | Y28 | A1 | B1 | 21 | D2 |
Разбиение на классы эквивалентности
K1={6}={T:=15}
K2=
K3=
K4={19}=T:=A1&A2
K5={20}=T:=A1VA2
K6={21}=T:=A1A2
K7=
K8=
K9=
K10={4}={T:=10..0}
K11=
Обобщенные операторы
A3,A4,A5-вспомогательные переменные
- T:=15
A2 ,2
- T:=A1+A3 A3= A2(1:15) ,8
- ,12
A1 ,3,15
3. T:=A4-A5 A4= A2 ,11
A5 A2 ,3
A2(1:15) ,15
- ,11
4. T:=A1&A2
5. T:=A1VA2
6. T:=A1A2
- T:=R1(A6.A2(1:15))
A
6= A1(15) ,9- ,10
8. T:=L1(A2(1:16).A7)
A
7= 0 ,16A2(0) ,17
A2(0) ,19. T(0):=A8 A8= A1(0) ,5
A1(0) ,7
10. T:=10..0 4
A2 ,18
11. T:=A9 A9= A2(1:15) ,13
A2(2:16) ,14
4.3 Синтез управляющего автомата с «жесткой» логикой
Управляющие автоматы с жесткой логикой представляют собой логические схемы, вырабатывающие распределенные во времени управляющие функциональные сигналы. В отличие от управляющих устройств с программируемой логикой у этих автоматов можно изменить логику работы только путем переделок схем автомата.
Общая структура управляющего автоматаСчитаем, что управляющий автомат состоит из нескольких автоматов, каждый из которых управляет своей операцией (+,-,*,/ и логические). Дешифратор и сигнал “Пуск А” в зависимости от кода операции разрешают работу тому или иному управляющему автомату. Таким образом структуру УА можно представить в виде:
x
КОП
Yi
Произведем синтез управляющего автомата для операции умножения ( для остальных операций синтез проводится аналогично ).
Для нашего алгоритма построим автомат Мура. Каждой микрокоманде, отдельно представленной на графе ставится в соответствие отдельное состояние автомата . Состояния автомата отмечаются управляющими функциональными сигналами соответствующих микрокоманд.
Условия перехода от микрокоманды к микрокоманде представляются в виде конъюнкции входных сигналов, влияющих на переход. Каждая конъюнкция выписывается так, чтобы набор значений входных переменных, обращающих конъюнкцию в 1, соответствовал условию перехода . при безусловном переходе конъюнкция заменяется на 1.
Начало и конец микропрограммы отображаются начальным состоянием A автомата Мура, при этом предполагается, что автомат является циклическим.
Граф-схема алгоритма умножения приводится ниже. Микрооперации выполняемые в алгоритме умножения обозначаются так же как и при разработке операционного автомата.
Граф автомата Мура
Кодируем состояния
| A0 | 000 |
| A1 | 001 |
| A2 | 010 |
| A3 | 011 |
| A4 | 100 |
| A5 | 101 |
| A6 | 110 |
Минимизация функции дешифрования кода, р1,р2,р3.
| Р2Р3 00 01 11 10 | ||||
| Р1 0 1 | A0 | A1 | A3 | A2 |
| A4 | A5 | X | A6 | |
Тогда
Структурная таблица автомата Мура
| Исходн. Сост. | Код | След сост. | Код слова | Входной набор | Выходной набор | Сигнал возбуждения |
| A0 | 000 | A1 | 001 | B | Y9 Y10 | D1D2 D3 |
| A1 | 001 | A2 A3 | 010 X11 | X.6  | Y11 Y12 Y13 Y14 | D1 D2D3 D2 D3 |
| A2 | 010 | A3 | X11 | --- | Y12 Y13 Y14 | D2 D3 |
| A3 | 011 | A3 A4 A5 A6 A0 | X11 100 1X1 11X 000 |  | Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y8 --- | D2 D3 D1D2D3 D1 D3 D1 D2 D1D2D3 |
| A4 | 100 | A5 A6 A0 | 1X1 11X 000 |  | Y16 Y8 --- | D1 D3 D1 D2 D1D2D3 |
| A5 | 101 | A6 A0 | 11X 000 | X5  | Y8 --- | D1 D2 D1D2D3 |
| A6 | 110 | A0 | 000 | --- | --- | D1D2D3 |
При отсутствии сигнала на входе нашего D-триггера, на входе будет 0.
Каноническая система булевых функций для управляющего автомата примет вид:
Y9=A0B Y10=A0
Y8=A3
A4
5. Библиографический список
- 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.
- Майоров С.А., Новиков Г.И. Структура электронных вычислительных машин. – Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. – 384 с.