Многофункциональное арифметико-логическое устройство

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
2
КП.2201.3405111.ПЗ
 Разраб.
Иванова Н. В.
 Провер.
Ведина П. А.
 Реценз.
 Н. Контр.
 Утверд.
Многофункциональное АЛУ
Лит.
Листов
ЧЭМК СОДЕРЖАНИЕ
 TOC o «1-2» h z u Введение. PAGEREF _Toc75096536 h 3
1 Обзорарифметико-логических устройств. PAGEREF _Toc75096537 h 4
2 Построениеструктурной схемы… PAGEREF _Toc75096538 h 8
3 Выбор элементнойбазы… PAGEREF _Toc75096539 h 11
4 Построениепринципиальной схемы… PAGEREF _Toc75096540 h 20
5 Расчетная часть. PAGEREF _Toc75096541 h 22
5.1 Расчет потребляемой мощности. PAGEREF _Toc75096542 h 22
5.2 Расчет быстродействия. PAGEREF _Toc75096543 h 23
5.3 Расчет надежности. PAGEREF _Toc75096544 h 24
5.4 Логический расчет. PAGEREF _Toc75096545 h 25
6 Технологическая часть. PAGEREF _Toc75096546 h 27
6.1 Технологияизготовления печатных плат. PAGEREF _Toc75096547 h 27
6.2 Механическаяобработка печатных плат. PAGEREF _Toc75096548 h 28
6.3 Получение рисункапечатной платы… PAGEREF _Toc75096549 h 29
6.4 Химические игальванические процессы изготовления печатных плат. PAGEREF _Toc75096550 h 29
6.5 Получение печатных проводников. PAGEREF _Toc75096551 h 30
7 Конструкторская часть. PAGEREF _Toc75096552 h 31
8 Техника безопасности и экология. PAGEREF _Toc75096553 h 33
8.1 Техникабезопасности. PAGEREF _Toc75096554 h 33
8.2 Экология. PAGEREF _Toc75096555 h 34
9 Заключение. PAGEREF _Toc75096556 h 36
10 Список литературы… PAGEREF _Toc75096557 h 37


Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
               КП.2201.3405111.ПЗ Введение
Последние достижения в области информационных техно­логийпривели к новым концепциям в организации производства. Ни одна фирма не можетобойтись в своей ра­боте без применения компьюте­ров. ЭВМ прочно входят в нашупроизводственную деятельность, и в настоящее время нет необходимости доказыватьцелесообраз­ность использования вычислительной техники в системах управле­ниятехнологическими процессами, проектирования, научных ис­следований, административногоуправления, в  учебном  про­цессе, банковских   расчетах, здравоохранении, сфере обслужи­ванияи т.д.
Любаяформа человеческой деятельности, любой процесс функционирования техническогообъекта связаны с передачей и преобразованием информации. В силу универсальностицифровой формы представления информации, цифровые электронные вычислительныемашины представляют собой наиболее универсальный тип устройства обработкиинформации.
Замечательныесвойства ЭВМ – автоматизация вычислительного процесса на основе программногоуправления, огромная скорость выполнения арифметических и логических операций,возможность хранения большого количества различных данных, возможность решенияширокого круга математических задач и задач обработки данных – делают эти машинымощным средством научно-технического прогресса.
Особоезначение ЭВМ состоит в том, что впервые с их появлением человек получил орудиедля автоматизации процессов обработки информации. Во многих случаях ЭВМпозволяют существенно повысить эффективность умственного труда. Внедрение ЭВМоказало большое влияние на многие области науки и техники, вызвало процесс изматематизации и компьютеризации.
Упрощеннаяструктура ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметическо-логическоеустройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных в машину,устройство вывода из нее результатов расчета и пульт ручного управления.
В данномкурсовом проекте я буду рассматривать работу многофункциональногоарифметическо-логического устройства (АЛУ). АЛУ служат для выполнения арифметическихи логических преобразований над словами, называемыми в этом случае операндами.1 Обзорарифметико-логических устройств

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
4
КП.2201.3405111.ПЗ Выполняемые в АЛУ операции можноразделить на следующие группы:
·         Операциидвоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
·         Операциидвоичной арифметики для чисел с плавающей точкой;
·         Операциидесятичной арифметики;
·         Операциииндексной арифметики;
·         Операцииспециальной арифметики;
·         Операциинад логическими кодами;
·         Операциинад алфавитно-цифровыми полями.
Карифметически операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей(«короткие операции»), умножение и деление («длинные операции»). Группу логическихопераций составляют операции дизъюнкции (логическое ИЛИ) и конъюнкция(логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство.Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметическийсдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остается на месте),логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами).Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации.
Можнопривести следующую классификацию АЛУ, которая приведена на рисунке 1.1.
Похарактеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные.В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой,десятичными числами  и алфавитно-цифровымиполями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, таккак блоки параллельно могут выполнять соответствующие операции, но значительно увеличиваютсязатраты на оборудование. В многофункциональных АЛУ операции для всех формпредставления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируютсянужным образом в зависимости от требуемого режима работы. По своим функциям АЛУявляется операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приемиз других устройств (например, памяти) операндов, их преобразования и выдачу результатовпреобразования в другие устройства. Арифметическо-логическое устройствоуправляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие
выполнение в АЛУ определенныхмикроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналовопределяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

Вид обрабатываемой информации
Способ обработки информации
Логическая структура АЛУ
По форме представления чисел
По разрядности
По используемой системе счисления
По способу представления отрицательных чисел
С использованием дополнительного кода
С использованием обратного кода
С использованием непозиционных систем счисления
С использованием позиционных систем счисления
С переменной разрядностью
С постоянной разрядностью
С плавающей запятой
С фиксированной запятой
По способу обработки слова во времени
АЛУ с дополнительными регистрами
АЛУ с реализацией операций в запоминающем устройстве
АЛУ с магистральной структурой
АЛУ с жесткой структурой
АЛУ с однородной структурой
Параллельно-последовательные
Последовательные    
Параллельные
Многосумматорные АЛУ
АЛУ с расширенными возможностями
По способу распределения логических функций между регистрами
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
5
КП.2201.3405111.ПЗ

Рисунок 1.1 – Классификация АЛУ.
Обобщенная структурнаясхема АЛУ процессоров всех моделей может быть изображена в виде, приведенном нарисунке 1.2. В основном она содержит четыре главные составляющие:
— группу регистров Р,предназначенных для приема и размеще­ния надлежащим образом операндов, надкоторыми должны производиться действия при выполнении очередной операции;
— операционную часть О,где осуществляются преобразования операндов согласно машинным алгоритмам арифметических,логи­ческих и других операций, на выполнение которых рассчитано АЛУ;
— схемы контроля К,обеспечивающие непрерывный оперативный контроль работы АЛУ, а при обнаружениисистематических сигналов ошибок — его диагностику с разрешающей способно­стью,соответствующей возможностям системы контроля, приме­няемой в модели ЭВМ;
— схемы управления У, гдевырабатываются управляющие сигна­лы УС, координирующие взаимодействие всехблоков АЛУ между собой и с другими блоками процессора, тем самым обеспечивая выполнениетребуемых последовательностей микроопераций, соот­ветствующих исполняемым операциям.
Рисунок    1.2- Обобщенная    структурная схема  АЛУ процессоров.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
6
КП.2201.3405111.ПЗ В моделях осуществляется гибкоеуправление выполнением операций. Последовательность действий по исполнениюкаждой команды зависит от особенностей операндов и получающихся про­межуточныхи окончательных результатов их преобразования. Для этого в операционной частиАЛУ на разных этапах выполне­ния операций производится анализ преобразуемой информации.Результаты его в виде ответных сигналов-признаков СП поступают на схемы управления.
На основе анализаполучающихся результатов в конце исполне­ния определенных команд схемыуправления формируют признак результата ПР, который в виде двухразрядного кодаусловия заносится в слово состояния программы ССП.
Переход к управле­ниюисполнением каждой очередной команды строится по асинх­ронному принципу. Приналичии в процессоре командной и пре­образуемой

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
7
КП.2201.3405111.ПЗ информации действия в АЛУ повыполнению следую­щей операции могут начинаться сразу после завершения предыду­щейоперации. Для этого в схемах управления АЛУ формируется сигнал конца операцииСКО. Управление выполнением следующей операции начинается по сигналу началаоперации СНО, выраба­тываемому в схемах центрального управления процессора.
В регистры Р операнды дляочередной операции выбираются либо из местной оперативной памяти (регистровобщего назначе­ния РОН или регистров для операндов с плавающей запятой РПЗ),либо из основной оперативной памяти ООП. Результаты операций из регистров АЛУ отсылаютсятакже в РОН, РПЗ или ООП.

2 Построениеструктурной схемы

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
8
КП.2201.3405111.ПЗ

Рисунок 2 – Многофункциональное АЛУ.
ПроектированиеАЛУ включает в себя выбор кодов для представления данных, определениеалгоритмов выполнения от­дельных операций, структур операционных блоков иреализуе­мых в них наборов микроопераций. Затем производят объедине­ниеотдельных операционных блоков и соответствующих наборов микроопераций в одинмногофункциональный операционный блок или несколько блоков для отдельных группопераций. В многофункциональных АЛУ операции над числами с фиксиро­ванной иплавающей точками, десятичными числами и алфавит­но-цифровыми полямивыполняются в основном одними и теми же схемами, коммутируемыми соответствующимобразом. На рисунке 2 приведена схема многофункционального АЛУ для вы­полнениясовокупности  арифметических и логическихопераций. Регистроваячасть АЛУ, в которой размещаются операнды или результаты действий над ними, восновном состоит из 8-разрядных

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
9
КП.2201.3405111.ПЗ регистров Рг1, Рг2, Рг21, Рг3, РгА, РгВ, РгСм и 4-разрядных — PгC, PгD, PгСч1.Кроме этого, имеется еще рядмало-разрядных регистров и множество триггеров, не показанных на рисунке. Онипредназначаются для запоминания различных кодов, сигналов, отражающих различныесостояния, условия, результаты анализа преобразуемой информации, необходимыедля правильного выполнения арифметических, логических и др. операций. Этирегистры и триггеры можно отнести к операционной части АЛУ, основу которойсоставляют сумматор См, схема СОЛО, сумматор для выполнения операцийдвоично-десятичной арифметики СмДес.
При сложениичисел с фиксированной точкой в  рассматриваемойсхеме загрузка РгВ происходит от Рг2 ввиду того, что связь от ШИВхк Рг2 и далее к РгВ должна существовать из-за необходимостиреализации умножения. Сумма частичных произведений за­носится в РгВ ненепосредственно из РгСм, а через РгЗ, так как загрузка РгЗ необходимапри выполнении сложения чисел с пла­вающей точкой и т. п.
Операции двоично-десятичнойарифметики в данном АЛУ производятся при помощи двоично-десятичного сумматора СмДеси побайтной организации обработки.
Привыполнении операций над числами с плавающей точкой используются двоичныйсумматор См и схема СОЛО. При сло­жении (вычитании) чисел с плавающейточкой первое слагаемое (уменьшаемое) поступает на входной регистр Рг1, второе(вы­читаемое) — на входной регистр РгЗ. Знаки слагаемых хранятся втриггерах знаков ТгЗн1 и ТгЗн2. Смещенные порядки слагае­мыхпересылаются в регистры РгС и РгД. Схема СОЛО при­меняетсядля сравнения и выравнивания порядков слагаемых. Сумматор См, еговходные регистры РгА и РгВ и выходной регистр РгСм используютсяпри сложении (вычитании) мантисс, а также при передаче мантисс со сдвигом в процедурахвы­равнивания порядков и нормализации результата.
Выравниваниепорядков производится следующим образом. Смещенный порядок числа Xиз РгЗ передается в регистр РгД и в выполняющий рольРгСОЛО
 счетчик РгСч, соединенный с выходом СОЛО.Затем в РгС передается смещенный порядок числа У. После этогоначинается сравнение порядков чисел Xи У на СОЛО исдвиг мантиссы числа с меньшим порядком вправо, при этом значение смещенногопорядка  У меняется до тех пор, пока он нестанет равным
смещенному порядку X. Порядок Zберется равным большемупорядку слагаемых.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
10
КП.2201.3405111.ПЗ Чтобы не делать лишнихсдвигов мантиссы, превратившейся в процессе выравнивания порядка в 0, насчетчике циклов СчЦ фиксируется предельное число сдвигов, равное числуцифр ман­тиссы. При выполнении сдвига на один разряд мантиссы содержимое СчЦуменьшается на 1. При СчЦ = 0 сдвиги прекращаются и в качестве результатаберется большее слагаемое. После выравнивания порядков осуществляется сложениемантисс и (при необходимости) нормализация результата.
При умножениичисел с плавающей точкой  используются сумматорСм, регистр Рг1 для хранения множимого, регистры Рг2 и Рг2'для приема и сдвига множителя в процессе умножения мантисс, регистр РгА,используемый для передачи на сумматор смещенного порядка множимого при суммированиипорядков и для передачи на сумматор мантиссы множимого при умножении мантисс, регистрРгВ, служащий для передачи на сумматор смещенного порядка множителя присуммировании порядков и для хранения текущей суммы частичных произведе­ний приумножении мантисс, выходной регистр сумматора РгСм, фиксирующийрезультаты суммирований, счетчик РгСч1, храня­щий смещенный порядокпроизведения, триггеры знаков сомно­жителей ТгЗн1 и ТгЗн2.
При выполнении деления чисел с плавающей точкой используютсясумматор См, регистры Рг1 и Рг2 для приема соответственноделителя и делимого, регистры РгА и РгВ для хранения смещенныхпорядков делителя и делимого и для хранения ман­тиссы делителя и частичногоостатка при получении мантиссы частного, счетчик Сч1 для хранения смешенногопорядка частного, регистры Рг2 и Рг21 для храненияцифровых разрядов ман­тиссы частного, триггеры знаков делимого и делителя ТгЗн1и ТгЗн2. Рассмотренное АЛУ можно считать типичным для ЭВМ общегоназначения средней производительности.  








Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
11
КП.2201.3405111.ПЗ 3 Выборэлементной базы
Для того чтобы построитьпринципиальную схему нужно выбрать элементную базу и технологию производстваинтегральных микросхем (ИМС).
Наданный момент есть несколько технологий производ­ства интегральных микросхем: Транзисторно-транзисторная ло­гика(ТТЛ) и транзисторно-транзисторная логика с диодом Шоттки (ТТЛШ), МОПтранзисторная логика (МОПТЛ), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), интегральнаяинжекци­онная логика (И2 Л). Каждая из технологий имеет свои досто­инстваи недостатки, которые рассмат­риваются ниже.Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и транзи­сторно-транзисторнаялогика с диодом Шоттки (ТТЛШ).Достоинства:высокое быстродейст­вие, обширная номен