АрхЭВМ_Лаб.Раб 2007 (Методичка по лабораторной ЦУУ (CUU))
Описание файла
Файл "АрхЭВМ_Лаб.Раб 2007" внутри архива находится в папке "Методичка по лабораторной ЦУУ (CUU)". Документ из архива "Методичка по лабораторной ЦУУ (CUU)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "электронные вычислительные машины (эвм)" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "эксплуатация эвм" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "АрхЭВМ_Лаб.Раб 2007"
Текст из документа "АрхЭВМ_Лаб.Раб 2007"
34
Государственный комитет РФ по народному образованию
Методические указания
к лабораторным работам по курсу
«Архитектура ЭВМ»
Под редакцией к.т.н. доцента Виноградова В.И.
Москва, 2007 г
В методических указаниях приведена большая теоретическая часть и даны описания и порядок выполнения восьми лабораторных работ:
-
Типовые микрооперации.
-
Форматы машинных команд.
-
Операционные устройства процессора.
-
Способы адресации.
-
Типовые машинные операции.
-
Управляющие автоматы схемно-логического типа.
-
Программируемые логические матрицы.
-
Типовые устройства персонального компьютера
Время выполнения каждой лабораторной работы 4 часа.
Первые семь лабораторных работ выполняются с использованием пакета моделирования «CUU», разработанного на кафедре ИУ-5. Восьмая лабораторная работа выполняется на специальном стенде.
1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Особенности центрального устройства управления
Любое вычислительное устройство всегда можно представить состоящим из двух частей: операционной и управляющей. Управляющая часть процессоров имеет специфическое название - центральное устройство управления (ЦУУ). ЦУУ процессоров различных ЭВМ отличаются друг от друга, как структурой, так и выполняемыми функциями.
Типовые функции ЦУУ современных ЭВМ [1]:
-
Формирование начального (загрузочного) адреса программы.
-
Выборка команды из оперативной памяти (ОП) и хранение ее до выборки следующей команды.
-
Расшифровка кода операций (КОП) команды для включения микропрограммы соответствующей операции.
-
Выборка операндов из аккумулятора (А), регистров общего назначения (РОН) или ОП.
-
Засылка результата в РОН или ОП.
-
Формирование адреса следующей команды.
-
Контроль выполнения команд (ошибки в КОП, переполнение и т.д.)
-
Остановка процессора.
-
Обработка прерываний.
Для выполнения этих функций в составе ЦУУ должны входить:
-
Регистр команд (РК), обеспечивающий прием и хранение машинных команд.
-
Программный счетчик (РС), называемый также счетчиком команд, который формирует адреса считываемых из памяти команд.
-
Регистры общего назначения, образующие внутреннюю память процессора. РОН используют для хранения индексов, базы, адресов, операндов и результатов.
-
Логические схемы контроля.
-
Дешифратор кода операции.
-
В ряде ЭВМ- стек для запоминания состояния процессора при прерываниях или при обращении к подпрограмме. Стек размещается обычно в оперативной памяти, а в ЦУУ хранится только указатель стека(SP), указывающий адрес первой свободной ячейки в стеке.
-
Аккумулятор - для автоматической засылки результатов арифметических и логических операций.
Для регистра команд, программного счетчика, указателя стека, индексного регистра и аккумулятора в ЦУУ используют либо специальные регистры, либо отдельные регистры внутренней памяти (РОН).
-
Индексный регистр – для хранения индексов при обработке массивов или базы.
-
Регистр возврата (РВ) – для запоминания адреса возврата при обращении к подпрограмме. В ряде процессоров адрес возврата может храниться в регистрах общего назначения или в стеке.
-
Регистр адреса (РА) – для хранения адреса оперативной памяти, по которому происходит запись или чтение информации (команд или данных).
-
Буферный регистр (В) – однобайтовый регистр для хранения адресов, операндов или результатов.
В значительной степени структуру ЦУУ определяют: набор команд, адресность команд, способы адресации и ширина выборки из оперативной памяти.
В лабораторной работе предусмотрено использование машинных команд для выполнения следующих классов операций: 1) пересылки; 2) арифметических и логических; 3) переходов; 4)ввода-вывода.
Машинные команды могут быть одно-, двух-, трехадресными и безадресными. Адресация операндов может быть: прямой, непосредственной, косвенной, регистровой, косвенной регистровой.
Причем каждый операнд в машинной команде может иметь свой способ адресации.
Допускается использовать модификации адресов с помощью специального индексного регистра. Модифицироваться могут либо все адреса операндов данной команды, либо только часть из них.
Типовые форматы машинных команд, рекомендуемые для использования в лабораторной работе при разработке системы команд приведены на рис.1.
коп R
коп R
S1
S2
S3
коп R
R1 R2
коп R
S2
S1
коп R
R1 R2
S2
коп R
S1
Рис. 1 Типовые форматы машинных команд.
На рис.1: S1, S2, S3 – прямые адреса первого, второго и третьего операндов соответственно (прямая адресация).
R1, R2 – адреса, в которых хранятся прямые адреса первого и второго операндов соответственно (косвенная регистровая адресация).
R – адрес РОН, используемого для хранения индекса для модификации адресов (индексный регистр). Может использоваться также для хранения адреса возврата в операциях перехода.
Машинные команды (машинные программы) и данные должны располагаться в оперативной памяти. Объем памяти – 256 байт. Ширина выборки памяти 1 байт. Это значит, что при обращении к памяти считывается или записывается 1 байт. Для адресации такой памяти необходимо восемь двоичных разрядов (или два шестнадцатеричных). Следовательно, поля команды S1,S2 и S3 должны быть однобайтовыми.
В составе ЦУУ имеется 16 регистров общего назначения, для их адресации потребуется четыре двоичных разряда. Поэтому поля R,R1 и R2 должны иметь по четыре разряда. Так как ширина выборки памяти 1 байт, регистры общего назначения, аккумулятор и арифметико-логическое устройство (АЛУ) также выбраны однобайтовыми, что облегчает их взаимодействие с памятью.
Чтобы ЦУУ работало, длина машинной команды должна быть пропорциональна ширине выборки памяти. В соответствии с этим форматы команд имеют длину 2,3 и 4 байта (см. рис. 1).
Под поле кода операции выделим четыре двоичных разряда, что позволит закодировать до 16 различных типов машинных команд.
При этом в одном байте можно разместить два поля: КОП и R.
Разрядность программного счетчика (счетчика команд) определяется разрядностью адреса оперативной памяти. В этом случае программный счетчик должен быть однобайтовым.
Разрядность указателя стека определяется емкостью памяти, в которой размещается стек. При перемещении стека в оперативной памяти разрядность указателя стека равна разрядности адреса оперативной памяти(1 байт).
Регистр команд должен принимать и хранить все типы команд (см. рис.1). Поэтому он должен быть четырехбайтовым. Каждое поле команды жестко закреплено за определенными разрядами регистра команд:
КОП(4:1)=РК(31:28) S1(8:1)=РК(23:16)
R (4:1)=РК (27:24) S2 (8:1)= РК (15:8)
R1 (4:1)=РК (23:20) S3 (8:1)=РК (7:0)
R2 (4:1)=РК (19:16) I (8:1)=РК (23:16)
Центральное устройство управления в процессе работы непосредственно взаимодействует с пультом управления, оперативной памятью и арифметико-логическим устройством. С пульта управления осуществляется запуск ЦУУ и контроль его работы. В памяти хранятся команды и данные. В АЛУ выполняются арифметические и логические операции над данными. ЦУУ осуществляет выборку команд программы из памяти: расшифровку полей команды, вычисление исполнительных адресов операндов, выборку операндов и передачу их в АЛУ, засылку результата в память и т.д.
В общем случае ЦУУ является сложным устройством, которое, как и любое вычислительное устройство, можно представить состоящим из операционного и управляющего автоматов.
В состав ЦУУ (рис.2) входят: регистры общего назначения, регистр индекса (РИ), программный счетчик, указатель стека, аккумулятор, буферный регистр, схема инкремента-декремента (СИД), регистр команд, регистр возврата (РВ), регистр адреса (РА) и управляющий автомат (УА). Взаимодействие устройств между собой, а также с оперативной памятью и арифметико-логическим устройством осуществляется через шины Ш1, Ш2 и Ш3 (связи ЦУУ с пультом управления, внешними устройствами, а также блоки прерываний и контроля на рисунке не указаны). Назначение и работа РОН, РИ, РС, SP и РК были рассмотрены выше. Все регистры, а также схемы АЛУ и СИД – однобайтовые. Аккумулятор и буферный регистр используются для работы с АЛУ при выполнении арифметических и логических микроопераций (табл. 1) тип А:=А*В. При этом формируются признаки результатов Z , N , C , P.
РОН
РИ
РС
SP
А
В
РК
СИД
РВ
РА
Результат
Из АЛУ
Команды и
Данные из ОП
Y1
Y n
X1 – X4
УА
Z,N,C,P
Из АЛУ
операнды
Данные
В АЛУ
Данные в ОП
Адрес в ОП
R
ТИ
Ш1 Ш2 Ш3
Рис. 2 Структурная схема ЦУУ
С хема инкремента-декремента (СИД) увеличивает или уменьшает на единицу подаваемые на ее вход значения. Она может работать одновременно с АЛУ, увеличивая производительность процессора. СИД используют для обработки содержимого РОН, РИ, РС, SP. Она выполняет микрооперации типа С:=С + 1, где С - переменная на входе СИД.