Московский государственный технический университет

им. Н. Э. Баумана

Принял:

Виноградов В.И.

«___»__________2006 г.

___________________

Курсовая работа

«Проектирование вычислительного устройства»

по дисциплине

"Архитектура ЭВМ"

Вариант №93

Выполнила:

студентка группы ИУ5-54

Белкина Т.В.

_____________________________________________________

Москва 2006

Содержание

1. Постановка задачи 3

2. Микропрограммы машинных операций 4

   1. Алгоритм выполнения операции «Деление» 5

   2. Алгоритм выполнения операции «Сложение» 7

   3. Алгоритм выполнения операции «Вычитание» 9

   4. Алгоритм выполнения операции «Сдвиг циклический» 11

   5. Алгоритм выполнения операции « ». 12

   6. Алгоритм выполнения операции « ». 13

   7. Алгоритм выполнения операции « ». 14

3. Обобщенная микропрограмма. 15

4. Списки операций и условий. 16

5. Синтез операционных элементов 19

6. Разработка структурной схемы операционного автомата. 34

7. Функциональная схема операционной автомата 35

8. Список переходов. 36

9. Программирование ПЛМ. 39

10. Подсчет числа тактов, необходимых для выполнения каждой микрооперации.46

11. Расчет максимально возможной частоты работы устройства 46

12. Заключение. 47

13. Список использованной литературы. 47

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.

Состав шин интерфейса:

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

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

3.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/.

Таблица №1. Закодированный вариант задания.

Таблица №2. Расшифровка перечисленных в задании операций.

Формат, команд:

0 2 3 4 7

2. Микропрограммы машинных операций.

Для реализации вычислительного устройства, выполняющего операции указанные в задании 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 (А и В), для операции 1 – 3 (А,В,С) 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).

Микропрограмма “Деление”

Деление выполняется над целыми двоичными числами со знаком, представленными в прямом коде.

По каждой паре сигналов ЗАПР-ДАННЫЕ передается слово разрядностью 8 бит. ВУ выставляет на шину управления сигнал запроса данных ЗАПР и ждет от устройства А сигнала ДАННЫЕ. По этому сигналу ВУ принимает с входной шины переданные данные и снимает с шины управления сигнал ЗАПР.

Делимое состоит из двух слов, сначала на входную шину данных выдается старшая часть делимого, затем - младшая.

Делитель, частное и остаток от деления имеют длину по одному слову.

Так как операнды представлены в дополнительном коде, то при делении они предварительно приводятся к своим модулям (при этом их начальные знаки запоминаются) и делятся в соответствии с алгоритмом деления для положительных чисел, приведенным в [1]. Если число положительное, то оно не изменяется, а отрицательное – преобразуется в свой модуль по формуле , которая для чисел в дополнительном коде тождественно равна формуле C:=C-1.

После деления знак остатка приравнивается к запомненному ранее знаку делимого, а знак частного вычисляется как сумма по модулю 2 запомненных знаков делимого и делителя.

При выполнении деления подсчет тактов деления производить с помощью счетчика, а микрооперации сложения и вычитания с помощью микросхемы ALU.

При нулевом делимом частному и остатку сразу присваивается нуль.

При нулевом делителе, деление не производится и вырабатывается сигнал прерывания ПР, после чего выполнение микропрограммы прекращается.

Вывод данных из ВУ в устройство А производится по сигналу РЕЗ /результат/. ВУ выдает на шины управления ШУ сигнал РЕЗ и одновременно выставляет данные /результат/ на выходную шину ШВЫХ. Устройство А принимает данные и подтверждает прием результата сигналом ПРРЕЗ, после чего ВУ снимает с шины управления сигнал РЕЗ.

По каждой паре сигналов РЕЗ-ПРРЕЗ на выходную шину выдается слово разрядностью 8 бит.

На выходную шину данных сначала выдается частное, а затем - остаток.

Алгоритм микропрограммы операции "деление" представлен на рисунке:

Рис1. Микропрограмма операции “Деление”

Микропрограмма “Сложение”

Сложение выполняется над целыми двоичными числами со знаком, представленными в прямом коде.

По каждой паре сигналов ЗАПР-ДАННЫЕ передается слово разрядностью 8 бит. ВУ выставляет на шину управления сигнал запроса данных ЗАПР и ждет от устройства А сигнала ДАННЫЕ. По этому сигналу ВУ принимает с входной шины переданные данные и снимает с шины управления сигнал ЗАПР.

Слагаемые (A и B) имеют длину по одному слову.

По первой паре сигналов ЗАПР-ДАННЫЕ с входной шины принимается первое слагаемое (А), а по второй паре сигналов ЗАПР-ДАННЫЕ с входной шины принимается второе слагаемое (В).

Операция сложения происходит в ALU. ALU работает с числами в дополнительном коде, поэтому перед операцией сложения необходимо преобразовать операнды в дополнительный код. Преобразование совершается в зависимости от знака числа – если оно положительное, то в дополнительном коде будет представлено само собой. Если отрицательное, то преобразование осуществляется по формуле: +1. После осуществления операции в ALU результат тоже должен быть преобразован в прямой код, если он получился отрицательный.

Вывод данных из ВУ в устройство А производится по сигналу РЕЗ /результат/. ВУ выдает на шины управления ШУ сигнал РЕЗ и одновременно выставляет данные /результат/ на выходную шину ШВЫХ. Устройство А принимает данные и подтверждает прием результата сигналом ПРРЕЗ, после чего ВУ снимает с шины управления сигнал РЕЗ.

Разрядность выходного слова равна 8 бит.

Алгоритм микропрограммы операции "Сложение" представлен на рисунке:

Рис2. Микропрограмма операции “Сложение”