Содержание
Введение
1 Алгоритмрешения функциональной задачи
2 Выборсистемы команд специализированной ЭВМ
3 Форматыкоманд и операндов
4Содержательные графы микропрограмм операций АЛУ
5 Разработкаобъединенной микропрограммы работы АЛУ
6Закодированные алгоритмы микропрограмм
7Проектирование управляющего автомата
Введение
Цельюкурсового проектирования является закрепление знаний по курсу: «Организация ЭВМи систем», полученных в результате изучения лекционного курса и выполнениялабораторного практикума.
Объектомкурсового проектирования является процессор специализированной ЭВМ.
Впроцессоре выделяют устройство, в котором выполняются все основные(арифметические и логические) операции. Это устройство называютарифметико-логическим устройством (АЛУ). Если все основные операции выполняютсяза один такт (это имеет место в большинстве современных микропроцессоров), АЛУявляется частью операционного автомата процессора; если же некоторые или всеосновные операции выполняются алгоритмически за много тактов, АЛУ имеетсобственное устройство управления.
Разработкапроцессора специализированной ЭВМ включает в себя следующие этапы:
- Разработка алгоритма решенияфункциональной задачи.
- Выбор системы командспециализированной ЭВМ.
- Определение форматов команд иоперандов.
- Разработка алгоритмовмикропрограмм выполнения минимально необходимого набора операций АЛУ.
- Разработка объединенноймикропрограммы работы АЛУ.
- Разработка структурной схемыоперационного автомата АЛУ.
- Разработка управляющего автоматаАЛУ.
1 Алгоритм решения функциональной задачи
Укрупненныйалгоритм решения поставленной задачи представлен на рисунке 1.1. Алгоритмвычисления функций F приведен соответственно на рисунке 1.2.
/>
Рис.1.1 Укрупненный алгоритм
Длявычисления функции F можно воспользоваться степенным рядом:
1 Функция Arth(x) разлагается [3] в степеннойряд:
/>
Этотряд сходится при |x|
Рис.1.3 />/>/>/>/>/>/>/>/>
/>/> />
/> /> />
/> />
/> /> . Сумму ряда удобно находить с помощью рекуррентныхсоотношений. Общий член ряда /> выражается в данном случае черезпредыдущий член ряда с помощью равенства:
/>/> /> /> /> /> /> /> />
/>2 Выбор системы командспециализированной ЭВМ
Длядвухадресной системы команд без признака засылки основные операции над двумяоперандами будут выглядеть так:
/>,
где
А1– первый адрес в команде;
А2– второй адрес в команде;
*- обозначение операции.
Введемобозначение:
N. Наименование операции. X. Y
X– первый операнд и результат операции.
Y– второй операнд (если он не участвует, то ставится -).
Длядвухадресной системы команд без признака засылки программа будет выглядеть так:
Частькоманд в этой программе имеют два адреса, а часть – один адрес, поэтому исистема команд ЭВМ должна состоять из одноадресных и двухадресных команд. 3 Форматы команд и операндов
Будемсчитать, что оперативная память (ОП) состоит из 256 ячеек длиной в один байткаждая.
Двухадреснаясистема команд без признака засылки содержит 13 различных наименований команд,для кодирования которых поле КО должно иметь 4 разряда.
Посколькув данном случае имеются одноадресные команды и двухадресные команды, для ихразличия введено одноразрядное поле кода длины команды (КДК) и принято считать:КДК=1 — для одноадресных и КДК=0 — для двухадресных команд.
Разряды5-7 первого байта всех команд здесь не используются. Формат команд приведен нарисунке 3.1.
Вкачестве операнда будет использоваться 16-разрядное слово, запятая считаетсяфиксированной перед старшим разрядом, а ОП оперирует с однобайтовыми словами. Форматоперанда в ОП представлен на рисунке 3.2:
Такойоперанд загружается за два обращения к ОП, здесь старшие разряды операнды изнак содержатся в первом байте, а младшие разряды – во втором. 4 Содержательные графы микропрограмм операций АЛУ
Числапредставляются в 16-разрядном формате, старший (нулевой) разряд используетсядля представления знака числа, для операции сложения используетсямодифицированный дополнительный код, поэтому регистр RG имеет 17 разрядов(0:16) (поле RG(1:16) – для хранения первого слагаемого), регистр RG1 имеет 16разрядов RG1(0:15) – для второго слагаемого, одноразрядному полю признакапереполнения изначально присвоено нулевое значение, при операции сложенияслагаемые помещаются по младшим разрядам, результат (сумма) помещается в полеRG(1:16), прибавление константы /> означаетприбавление 1 к младшему разряду слова.
Содержательныйалгоритм сложения представлен на рисунке 4.1:
/>
Рисунок 4.1 – Алгоритм операции сложения
Описаниеслов, использованных в микропрограмме сложения, представлены в таблице 4.1:
Таблица 4.1Тип Слово Пояснение ILO RG(0:16) Слагаемое (Сумма) IL RG1(0:16) Слагаемое ILO ПП Признак переполнения
Содержательныйалгоритм вычитания представлен на рисунке 4.2:
/>
Рисунок 4.2 – Алгоритм вычитания
Описаниеслов, использованных в микропрограмме вычитания представлены в таблице 4.2:
Таблица 4.2Тип Слово Пояснение ILO RG(0:16) Уменьшаемое (разность) IL RG1(0:16) Вычитаемое ILO ПП Признак переполнения
Содержательныйалгоритмы умножения и деления представлены на рисунках 4.3 и 4.4:
Описанияслов, использованных в микропрограммах представлены в таблицах 4.3 и 4.4:
Таблица 4.3Тип Слово Пояснение ILO RG(0:16) Множитель, произведение IL RG1(0:16) Множимое L RG2(0:16) Множитель, произведение L СТ(1:4) Счетчик циклов
Таблица 4.4Тип Слово Пояснение ILO RG(0:16) Делимое, остаток, частное IL RG1(0:16) Делитель L RG2(0:16) Частное L СТ(1:4) Счетчик ILO ПП Признак переполнения
Содержательныеалгоритмы умножения на 2 и нахождения абсолютной величины числа представлены нарисунке 4.5 и 4.6, а описания слов, использованных в микропрограммах – втаблице 4.5 и 4.6:
/>
Рисунок 4.5 – Алгоритм операции «умножение на 2»
/>
Рисунок 4.6 – Алгоритм приведения абсолютной величинычисла
Таблица 4.5Тип Слово Пояснение ILO RG(2:16) Операнд ILO ПП Признак переполнения
Таблица 4.6Тип Слово Пояснение ILO RG(0:1) Операнд
Содержательныйалгоритм микропрограммы специальной функции Arth(x) представлен на рисунке 4.7,здесь до начала выполнения программы регистру RG4 присваивается значение X. Описанияслов, использованных в микропрограмме – в таблице 4.7:
Таблица 4.7Тип Слово Пояснение ILO RG(0:16)
Переменная x,n,b,a,F множитель, произведение, делимое,
остаток, частное, слагаемое, сумма,
уменьшаемое, разность IL RG1(0:15)
Переменная F,b,a
константа,
Множимое, делитель, слагаемое, вычитаемое L RG2(0:16) Множитель, произведение, частное L RG3(0:15) Переменная F L RG4(0:15) Переменная x,a,b L RG5(0:15) Переменная n L CT(1:4) Счетчик ILO ПП Признак переполнения
Теперьнеобходимо составить схему укрупненного алгоритма, используя уже полученнуюмикропрограмму вычисления функции Arth(x). Предполагается, что переменные x1,x2 и x3 перед началом выполнения программы уже будут загружены соответственно врегистры RG4, RG3 и RG5. Данная схема алгоритма представлена на рисунке 4.8:
/>
Рисунок 4.8 – Схема алгоритма
Втаблице 4.8 представлено описание слов, использованных в программе. Так какописание слов для микропрограммы вычисления специальной функции былопредставлено в таблице 4.7, здесь приводится описание только тех слов, которыепринимали значения отличные от тех, что использовались в алгоритме на рисунке4.7.
Таблица 4.8Тип Слово Пояснение ILO RG(0:16)
Переменная x1, x2,X делимое,
остаток, частное,
уменьшаемое, разность
абсолютная величина числа IL RG1(0:15)
Переменная x2, x3
константа, делитель, вычитаемое L RG3(0:15) Переменная x2 L RG4(0:15) Переменная x1, X L RG5(0:15) Переменная x3
5 Разработка объединенной микропрограммы работы АЛУ
Процессорсостоит из АЛУ и УЦУ.
Вобъединенном списке микроопераций, используемых в микропрограммах минимальногонабора операций АЛУ, для унификации формы записи различных операций и форматоводноименных слов следует по сравнению с рисунком 4.3 изменить тримикрооперации:
- для вершины 2 вместо микрооперацииRG2 := RG нужно использовать микрооперацию RG2 := RG(1:16).0;
- для вершины 6 вместо микрооперацииRG2(1:15):=R1(RG (15).RG2(1:15)) – использовать микрооперацию RG2(1:15):=R1(RG(16).RG2(1:16);
- вместо микрооперации RG(0):=1 ввершине 11 – использовать микрооперацию RG(0:1):=11.
Благодаряэтим изменениям значение числовой части результата каждой операцииприсваивается полю RG(2:16) слова RG, а нулевой и первый разряды этого словаиспользуются для представления знака числа. Появляется возможность считать, чтоперед началом каждой операции над двумя операндами в АЛУ значение первогооперанда присваивается полю RG(1:16) слова RG, а значение второго операнда –слову RG1. При выполнении этого условия перед началом сложения и вычитаниянеобходимо произвести присваивание RG(0) := RG(1), перед началом умножениянужно осуществить передачу RG2 := RG(1:16).0, а перед делением – микрооперацииRG2(0):= RG(1) и RG(0:1):= 00.
Втаблице 5.1 приведен список логических условий, используемых в микропрограммах:
Таблица 5.1Обозначение Лог. Условие Тип операции X1 RG(0)
Сложение и
Вычитание X2 RG1(0) X3 RG(1) X4 RG2(15) Умножение X5 CT=0 X6 RG2(1) X7 RG1(0)ÅRG2(0) Деление X8 RG2(16) Умножение на «2» X9 RG(2) Вычисление функции Arth(x) X10 RG(0:16)
Втаблице 5.2 приведен список микроопераций, используемых в микропрограммах:
Таблица 5.2№ Микрооперации Тип операции Y1 RG(0):=RG(1) Сложение Y2
RG(2:16):=ù RG(2:16) + /> Y3 RG:=RG+RG1(1:15) Y4
RG:=RG+11.ù RG1(1:15)+ /> Y5 ПП:=1 Y6 RG1(0):= ù RG1(0) Вычитание Y7 RG2:=RG(1:16).0 Умножение Y8 RG:=0 Y9 CT:=1510 Y10 RG2(1:16):=R1(RG(16).RG2(1:16)) Y11 RG(1:16):=R1(0.RG(1:16)) Y12 CT:=CT-1 Y13
RG:=RG+ /> Y14 RG(0:1):=11 Y15 RG2(0):=RG(1) Деление Y16 RG(2:16):=L1( RG(2:16).0) Y17 CT:=0 Y18 RG2(1:16):=0 Y19 RG2(1:16):=L1(RG2(1:16).ù RG(0)) Y20 RG:=RG2(1:15) Y21 RG(0:1):=00 Выделение абсолютной величины числа Y22 RG3:=RG4 Вычисление функции Arth(x) Y23
RG5:= /> Y24 RG:=RG4 Y25 RG1:=RG Y26 RG4:=RG Y27 RG:=RG5 Y28 RG4:=RG1 Y29
RG1:= /> Y30
RG5:=RG5+/> Y31 RG:=RG3
Вприложениях 1, 2 и 3 приведена соответственно схема объединенной микропрограммыработы АЛУ, закодированная схема объединенной микропрограммы работы АЛУ иструктурная схема операционного автомата.6 Закодированные алгоритмы микропрограмм
Закодированныеалгоритмы сложения, вычитания, умножения, деления, умножения на «2» и выделенияабсолютной величины числа представлены соответственно на рисунках 6.1, 6.2,6.3, 6.4, 6.5 и 6.6: 7 Проектирование управляющего автомата
Форматмикрокоманды при вертикальном кодировании имеет формат, представленный нарисунке 7.1:
Форматкоманды с принудительной адресацией представлен на рисунке 7.2:
Алгоримформирования исполнительного адреса обращения к микропрограммной памяти (МПП)представлен на рисунке 7.3:
/>
Рисунок 7.3 – Алгоритм формирования адреса
Втаблице 7.1 приведены все микрооперации, расположенные в микропрограммнойпамяти, где адрес A0 — переход по «истина»:
Таблица 7.1Логичеcкий адрес МК в МПП Формат микрокоманды
Операционная зона Адресная зона
Y X(1..l) A0 A1
Y0 1
1 Y31 2
2 Y33 3
3 Y15 4
4 Y21 5
5 Y4 6
6 X1 23 7
7 Y16
8 Y9 9
9 Y18 10 10 X1 12 11 11 Y4 13 12 Y3 13 13 Y19 14 14 Y16 15 15 Y12 16 16 X5 17 10 17 Y20 18 18 X8 19 20 19 Y13 20 X7 22 21 21 Y21 24 22 Y14 24 23 Y5 24 24 Y25 25 25 Y24 26 26 Y6 27 27 Y1 28 28 X1 29 30 29 Y2 30 30 X2 32 31 31 Y3 33 32 Y4 33 33 X1 35 34 34 X2 36 38 35 X2 37 36 36 Y5 38 37 Y2 38 38 Y26 39 39 Y21 40 40 Y34 41 41 Y6 42 42 Y1 43 43 X1 44 45 44 Y2 45 45 X2 47 46 46 Y3 48 47 Y4 48 48 X1 50 49 49 X2 51 53 50 X2 52 51 51 Y5 53
52 Y2 53
53 X1 54
54 Y22 55
55 Y23 56
56 Y24 57
57 Y25 58
58 Y7 59
59 Y8 60
60 Y9 61
61 X4 62 63
62 Y3 63
63 Y10 64
64 Y11 65
65 Y12 66
66 X5 67 61
67 X6 68 69
68 Y13 69
69 X7 70 71
70 Y14 71
71 Y26 72
72 Y27 73
73 X9 75 74
74 Y16 76
75 Y5 76
76 Y6 77
77 Y1 78
78 X1 79 80
79 Y2 80
80 X2 82 81
81 Y3 83
82 Y4 83
83 X1 85 84
84 X2 86 88
85 X2 87 86
86 Y5 88
87 Y2 88
88 Y25 89
89 Y24 90
90 Y28 91
91 Y7 92
92 Y8 93
93 Y9 94
94 X4 95 96
95 Y3 96
96 Y10 97
97 Y11 98
98 Y12 99
99 X5 100 94
100 X6 101 102
101 Y13 102
102 X7 103 104
103 Y14 104
104 Y25 105
105 Y24 106
106 Y28 107
107 Y29 108
108 Y1 109
109 X1 110 111
110 Y2 111
111 X2 113 112
112 Y3 114
113 Y4 114
114 X1 116 115
115 X2 117 38
116 X2 118 117
117 Y5 119
118 Y2 119
119 Y25 120
120 Y24 121
121 X10 122 158
122 Y15 123
123 Y21 124
124 Y4 125
125 X1 142 126
126 Y16 127
127 Y9 128
128 Y18 129
129 X1 131 130
130 Y4 132
131 Y3 132
132 Y19 133
133 Y16 134
134 Y12 135
135 X5 136 129
136 Y20 137
137 X8 138 139
138 Y13 139
139 X7 141 140
140 Y21 143
141 Y14 143
142 Y5 143
143 Y30 144
144 Y31 145
145 Y32 146
146 Y1 147
147 X1 148 149
148 Y2 149
149 X2 150 151
150 Y3 152
151 Y4 152
152 X1 154 153
153 X2 155 157
154 X2 156 155
155 Y5 157
156 Y2 157
157 71
158 Y0
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />