пояснительная записка (Курсовой проект (готовый) вариант 37)

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана

Утверждено:

Виноградов В. И.

« »_________2006г.

_________________

Курсовая работа на тему

«Проектирование вычислительного устройства»

по дисциплине «Архитектура ЭВМ»

Вариант №37

Выполнил:

студент группы

ИУ5-52

Долганов Д. В.

« »_________2006г.

_________________

Москва – 2006

Содержание:

1. Постановка задачи ……………………………………………………………………………………...3

2. Микропрограммы машинных операций…………………………………………………………….….3

3. Разработка обобщённой микропрограммы…………………………………………………………….4

4. Обобщённый список слов, полей, логических условий и управляющих сигналов. ………………..5

5. Закодированный граф микропрограммы……………………………………………………………....5

6. Каноническая структура операционного автомата…………………………………………………....6

7. Синтез операционных элементов. …………………………………………………………….………..6

8. Структурная схема операционного автомата………………………………………………………….12

9. Функциональная схема операционной части ВУ……………………………………………………..13

10. Составление списка переходов…………………………………………………………….……….…13

11. Программирование ПЛМ…………………………………………………………….………………..13

12. Функциональная схема управляющей части ВУ……………………………………………………14

13. Определение числа машинных тактов, необходимых для выполнения каждой операции……….14

Список используемой литературы…………………………………………………………….………….15

Приложение № 1

Приложение № 2

Приложение № 3

Приложение № 4

Приложение № 5

Приложение № 6

Приложение № 7

Приложение № 8

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Спроектировать вычислительное устройство для выполнения заданного множества операций. Вычислительное устройство должно состоять из операционной части и блока управления и подключаться к интерфейсу.

Таблица №1

Закодированный вариант задания.

Вариант	Выполняемые операции							Разрядность операндов	Код	Серия микросхем
96.	С3	А3	А4	Л1	Л4	Л7	Л8	8	П	K155

Таблица №2

Расшифровка перечисленных в задании операций.

№	Операция	Обозначение Операции	№	Операция	Обозначение операции
1.	Сдвиг циклический	С3	5.	_____ A v B	Л4
2.	Вычитание обратное	А3	6.	_ A v B	Л7
3.	Вычитание модулей	А4	7.	_ A  B	Л8
4.	A  B	Л1

Операнды поступают в прямом коде (П), их разрядность 8, тип микросхем К155.

Cостав шин интерфейса:

1.Шины прямой передачи данных /входные/ разрядностью 8 бит.

2.Шины обратной передачи данных /выходные/ разрядностью 8 бит.

3.Шины адреса разрядностью 6 бит.

4.Управляющие шины:

- проверка готовности устройства /ПРГОТ/,

- сигнал занятости устройства /ЗАН/,

- код операции /КОП/,

- передача данных по входным шинам /ДАННЫЕ/,

- передача результата по выходным шинам /РЕЗ/,

- запрос на передачу данных /ЗАПР/,

- подтверждение приема результата /ПРРЕЗ/,

- готовность устройства /ГОТ/,

- сигнал прерывания при делении на нуль /ПР/.

2. МИКРОПРОГРАММЫ МАШИННЫХ ОПЕРАЦИЙ.

Для реализации вычислительного устройства, выполняющего операции указанные в задании (см. п. 1) к курсовой работе необходимо разработать микропрограммы для каждой из операций. Микропрограмма должна обеспечивать корректное считывание операндов с входной шины данных, выполнение самой операции и выдачу результата на выходную шину данных. При этом необходимо учесть, что работа вычислительного устройства должна быть согласована с работой внешнего устройства. Для выполнения этой задачи используются микропрограммы подключения и отключения вычислительного устройства от интерфейса.

Микропрограмма подключения опрашивает шины адреса и шину управления ПРГОТ. При этом вычисляется значение выражения ПРГОТ  ЗАН  (ША=N), где N - тумблерный регистр, ПРГОТ -сигнал выставляемый внешним устройством на шину управления, ЗАН - сигнал занятости вычислительного устройства. Обобщенная микропрограмма включается при значении этого логического выражения, равном 1. Сравнение адресов /вычисление значения операции отношения ША=N производится поразрядным сравнением адресов по формуле:

₅

 [ША(i) N(i)]

ⁱ⁼⁰

Значение функции равно 1 при совпадении адресов.

Подключение осуществляется путем формирования сигнала готовности (для этого предусмотрена микрооперация ГОТ=1), который указывает инициирующему устройству о готовности к работе. Далее выполнение микропрограммы приостанавливается до получения сигнала КОП=1, передаваемого внешним устройством по шине управления. Как только сигнал КОП=1 получен, производится считывание команды с входной шины данных, формируется сигнал ГОТ=0 и устанавливается сигнал ЗАН=1. На этом микропрограмма подключения заканчивает свою работу.

Микропрограмма выполнения одной из семи указанных операций выполняется при выполнении одного из семи логических условий (микропрограммы и условия сопоставлены взаимно однозначно), которые формируются на основании анализа кода операции, указанного в команде. При выполнении условия микропрограмма любой операции принимает операнды, которые считываются с входной шины данных. Далее вычисляется результат, который затем выдается на выходные шины данных.

Считывание слова данных реализовано следующим образом. Микропрограмма операции генерирует сигнал запроса (для этого предусмотрена микрооперация ЗАПР=1), который осведомляет внешнее устройство о готовности вычислительного устройства к приему данных. В ответ внешнее устройство передает слово данных на входную шину данных, генерируя при этом сигнал ДАННЫЕ=1. Пока сигнал ДАННЫЕ не поступит на управляющую шину, выполнение микрооперации приостанавливается, как только сигнал будет получен, вычислительное устройство производит считывание слова данных, при этом снимается сигнал запроса данных (для этого предусмотрена микрооперация ЗАПР=0).В ответ внешнее устройство устанавливает сигнал ДАННЫЕ=0. Для выполнения первых 2-7 операций необходимо два операнда—происходит считывание операндов для бинарной операции, то для операции деление в качестве первого операнда требуется двойное слово , а следовательно необходимо ввести еще и делитель (слово) и процедура запроса данных с ШВх повторяется для операций 2-7 – 2 раза, для операции 1 – 3 раза. Непосредственное выполнение операции реализуется различными способами в зависимости от смысла операции вплоть до получения результата, который может быть представлен в виде одного или двух слов данных (для операций 2-7 – выводится слово результата С, для 1 операции – в А помещается остаток от деления, в В находится частное).

Выдача слова данных в интерфейс производится следующим образом. Микропрограмма формирует сигнал результата (для этого предусмотрена микрооперация РЕЗ=1). Затем выполнение микрооперации приостанавливается до получения сигнала ПРРЕЗ, которым внешнее устройство информирует об успешном принятии результата вычислений. Как только ПРРЕЗ = 1 вычислительное устройство устанавливает сигнал результата в ноль (для этого предусмотрена микрооперация РЕЗ=0) и выставляет результат на выходные шины данных. При необходимости выдачи второго слова данных (для операции деление) процедура повторяется. После окончания выдачи результата выполняется микропрограмма отключения вычислительного устройства.

Микропрограмма отключения вычислительного устройства, снимает сигнал занятости устройства (для этого предусмотрена микрооперация ЗАН=0).

3. РАЗРАБОТКА ОБОБЩЁННОЙ МИКРОПРОГРАММЫ.

Обобщенная микропрограмма является основой работы вычислительного устройства, являясь отправной точкой при выборе структуры операционного автомата и при программировании соединений программируемых логических матриц управляющего аппарата.

Обобщенная микропрограмма составляется на основании микропрограмм машинных операций ( см. рис.1-8, Приложение №1).

Обобщенная микропрограмма объединяет все микропрограммы операций с целью реализации четкой логической структуры выполнения микропрограмм в зависимости от кода операции команды, а также включает микропрограммы подключения вычислительного устройства к интерфейсу и отключения от него.

Первоначально выполняется операция подключения, если результат операции положителен и подключение осуществлено, выполняется ввод операнда «А» т.к. все микропрограммы работают хотя бы с одним операндом (для микропрограммы «деление» операнд А является старшим словом делимого), далее вводится второй операнд «В» т.к. все другие микропрограммы выполняют операции над двумя словами (для микропрограммы «деление» операнд B является старшим словом делимого), далее в зависимости от условий В1 – В7 выбора конкретной операции к выполнению, запускается лишь одна из имеющихся микропрограмм (схема «Микропрограммы операций»).

Вычисление условий В1 - В7 осуществляется по следующим формулам:

B1=	D(2)  D(1) D(0)	- сдвиг циклический
B2=	D(2)  D(1) D(0)	- вычитание обратное
B3=	D(2)  D(1) D(0)	- вычитание модулей
B4=	D(2)  D(1) D(0)	- Логическое и
B5=	D(2)  D(1) D(0)	- отрицание дизъюнкции
B6=	D(2)  D(1) D(0)	- _ A v B
B7=	D(2)  D(1) D(0)	- _ A  B

где D(0:2) - поле кода операции в команде

(D(0), D(1), D(2) - разряды кода операций.)

При выполнении микропрограммы «Деление» в слове А формируется остаток, а в слове В формируется частное (сначала выводится В, затем А).

При выполнении остальных микроопераций формируется слово С=опер[С,B].

Примечание: для формирования осведомительных сигналов, определяющих выполнение той или иной микропрограммы, используется дешифратор. Анализ КОП с помощью дешифратора позволяет существенно упростить логику работы устройства.

Разработанная в соответствии с вышеперечисленными условиями и замечаниями обобщённая микропрограмма представлена на рисунке «Граф обобщённой микропрограммы» Приложения №2.

4. обобщённый список слов, полей, логических условий и управляющих сигналов.

Обобщённый список слов, полей, логических условий и управляющих сигналов составляется на основании обобщенной микропрограммы ( «Граф обобщенной микропрограммы», Приложение №2). Построение таблицы микроопераций, осуществляется следующим образом. Выписываются все использованные виды микроопераций, каждому виду микроопераций ставится в соответствие «уникальный» индекс – Уi, который является обозначением управляющего сигнала, закрепленного за данным видом микроопераций. Вид микроопераций объединяет все одинаковые микрооперации, встречающиеся в обобщенной микропрограмме.

Список управляющих сигналов приведен в Приложении №3 (Таблица №1). Составление списка логических условий осуществляется следующим образом. Выписываются все виды логических условий, использованных при составлении обобщенной микропрограммы и ставится каждому из них в соответствие индекс хi, который является, обозначением соответствующего осведомительного сигнала, закрепленного за данным видом логических условий. Вид логических условий объединяет все одинаковые логические условия, встречающиеся в обобщенной микропрограмме.

Список используемых в микропрограмме осведомительных сигналов приведен в Приложении №3 (Таблица №2). Список используемых в микропрограмме слов и полей составляется следующим образом. Выписываются все слова, а также самостоятельно использующиеся при выполнении микроопераций поля слов. Затем каждому слову ставится в соответствие регистр. В результате получается таблица, в которой перечислены все используемые в микропрограмме слова, самостоятельно используемые поля этих слов, а также названия регистров, поставленных в соответствие каждому из этих слов. Список используемых в микропрограмме слово и полей приведен в Приложении №3 (Таблица №3).

5. Закодированный граф микропрограммы

Закодированный граф микропрограммы составляется на основе обобщенной микропрограммы («Граф обобщённой микропрограммы» Приложения №2) и обобщённого списка слов, полей, логических условий и управляющих сигналов (Приложение №3 (таблица №1,2,3)) .

Закодированный граф микропрограммы составляется путем подстановки нужных управляющих сигналов y_i в соответствии с текущей микрооперацией в каждый узел графа и замены логических условий соответствующими им индексами x_j. После этого каждому узлу (состоянию) полученного графа присваивается уникальный порядковый номер - номер состояния – аi (в произвольном порядке).

Полученный закодированный граф микропрограммы представлен на рисунке «Закодированный граф микропрограммы» Приложения №4.

6. Каноническая структура операционного автомата.

Выполняется на основании обобщённой микропрограммы («Граф обобщённой микропрограммы» Прилодения №2), обобщённого списка слов, полей, логических условий и управляющих сигналов (Приложение №3 (таблица №1,2,3)).

Структура операционного автомата разрабатывается следующим образом. Каждому слову поставить в соответствие регистр, каждому полю - подрегистр. Каждой микрооперации вида S=(S1,S2,…,Sl) нужно поставить в соответствие комбинационную схему, на входы которой подать сигналы соответствующих операндов. Каждому логическому условию вида Хl=( S1,S2,…,Sk) ставится в соответствие комбинационная схема.

Примечание: комбинационные схемы изображены в виде окружностей с вписанными в них символами микроопераций, которым поставлена в соответствие данная комбинационная схема. В ряде случаев операции выполняются однотипными схемами (они имеют одинаковое обозначение), при реализации ОА они могут быть заменены одной схемой, но при этом операнды, поступающие на ее входы должны выбираться с помощью мультиплексоров в соответствии с подаваемыми на них управляющими сигналами yi. Мультиплексоры установлены перед теми регистрами, которые «обслуживают» несколько комбинационных схем.

7. Синтез операционных элементов

На данном этапе необходимо на основе списка микроопераций разработать необходимые операционные элементы. Исходными данными являются выполняемые действия. Результат – реализация элемента и организация управляющих сигналов.

4.1. Регистр А.

Требуется получить элемент для хранения 8-разрядного слова и его сдвига.