Государственный комитет РФ по народному образованию

Обобщенная микропрограмма.

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

«Архитектура ЭВМ»

Под редакцией Виноградова В.И.

Москва, 2010

Цель работы – освоение методики подготовки исходных данных для синтеза управляющего автомата.

Список литературы:

1.Центральное устройство управления. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Архитектура ЭВМ». МГТУ им. Н.Э.Баумана.

2. Микропрограммы машинных операций. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Архитектура ЭВМ». МГТУ им. Н.Э.Баумана.

3.Конспект лекций по курсу «Архитектура ЭВМ».

Теоретическая часть.

Обобщенная микропрограмма должна описывать весь процесс управления работой вычислительного устройства:

- Загрузка начального адреса программы.

- Формирование текущих адресов машинных команд.

- Переход к выполнению микропрограммы на основе кода операции выполняемой команды.

- Штатное завершение работы устройства.

- Анализ критических ситуаций (например, ошибка в коде операции) и нештатное завершение работы устройства.

В лабораторной работе машинная программа должна располагаться в памяти с нулевого адреса.

В общем случае программа состоит из одного или нескольких линейных участков и переходов. На линейных участках программы машинные команды располагаются последовательно друг за другом. В этом случае адрес следующей команды можно определить по формуле Ак+1 = Ак + Lк, где Ак – адрес текущей команды, а Lк – длина текущей команды.

Переходы используются для организации циклов, ветвлений и обращений к подпрограммам. Для выполнения переходов используются операции перехода: переход условный (ПУ), переход безусловный (ПБ), переход с возвратом (ПВ) и т.д.

Все переходы должны быть реализованы внутри соответствующих микропрограмм переходов (ПУ, ПБ, ПВ и т.д.), разработанных в лабораторной работе «Микропрограммы машинных операций» [2]. Микропрограммы перехода обеспечивают переход к новому линейному участку программы. Для реализации переходов в микропрограммах перехода используются микрооперации, заносящие адрес перехода в регистр адреса и в программный счетчик.

На линейных участках программы формирование адресов машинных команд и выборку машинных команд из памяти в регистр команд необходимо реализовать вне микропрограмм машинных операций. Для этого используются те же микрооперации, что и при разработке самих микропрограмм (см.[1], таблица 2).

Переход к микропрограммам машинных операций должен выполняться на основе кода операции выполняемой машинной команды.

Штатное завершение работы системы должно выполняться специальной машинной командой (например, «Стоп»») и соответствующей микропрограммой, реализующей команду «Стоп».

Нештатное завершение машинной программы должно выполняться на основе анализа критических ситуаций. Этот анализ необходимо выполнять вне микропрограмм.

Пример разработанной обобщенной микропрограммы.

1. Пример разработанной обобщенной микропрограммы приведен в [1], рис.6. В этой обобщенной микропрограмме:

- Ждущая вершина «Пуск» служит для запуска обобщенной программы. Запуск осуществляется по сигналу «B», который формируется автоматически при моделировании системы с помощью пакета «CUU».

- Загрузка начального адреса программы:

• В лабораторной работе программа должна располагаться в памяти с нулевого адреса. Микрооперации РА:=0 и РОН[1]:=0 заносят адрес первой команды машинной программы в регистр адреса (РА) и в программный счетчик (РОН[1]).

- Формирование текущих адресов машинных команд:

• Функциональная вершина, содержащая микрооперации

РК(31:0):=ОП[РА] и РОН[1]:= РОН[1] + 4,

открывает цикл последовательной выборки машинных команд из памяти. (Первый линейный участок программы).

• Микрооперация РК(31:0):=ОП[РА] выбирает из памяти по адресу, хранящемуся в регистре адреса (РА), машинную команду длинной 4 байта, и записывает ее в регистр команд (РК). Длина команды определяется вариантом задания. При первом прохождении цикла это будет первая команда программы («Ввод»).

• Микрооперация РОН[1]:= РОН[1] + 4 увеличивает содержимое программного счетчика на длину команды. Эта микрооперация подготавливает программный счетчик к выбору следующей команды при очередном прохождении цикла. Поэтому при втором прохождении цикла будет выбрана вторая команда программы - «Переход с возвратом» (ПВ), а содержимое программного счетчика вновь будет увеличено на 4. Однако, при выполнении команды ПВ в микропрограмме (ПВ), инициируемой командой ПВ, среди прочих, имеются три микрооперации: А:=S1, РОН[1]:= А и РА:= РОН[1]. Первая из этих микроопераций сохраняет в аккумуляторе А адрес перехода к подпрограмме, который содержится в поле S1 машинной команды. Вторая и третья микрооперации сохраняют адрес перехода в программном счетчике и регистре адреса (РА).

• После выполнения микропрограммы «Переход с возвратом» (ПВ) обобщенная микропрограмма вновь перейдет к функциональной вершина, содержащей микрооперации РК(31:0):=ОП[РА] и РОН[1]:= РОН[1] + 4 и откроет новый цикл последовательной выборки машинных команд из памяти. (Уже второй линейный участок программы). Такой процесс будет продолжаться до выполнения всех машинных команд. Последней выполняемой командой должна бать команда «Стоп», завершающая работу обобщенной программы.

- Переход к выполнению микропрограммы на основе кода операции выполняемой команды:

• Регистр команд РК содержит код операции выполняемой команды, на основе значения которого осуществляется переход к соответствующей микропрограмме. Код операции содержится в разрядах 31-28 РК и анализируется поразрядно.

• Условие РК(31)=1 позволяет найти ошибку в коде операции. Так как коды операций машинных команд в рассматриваемом примере находятся в диапазоне 0000—0111 (в двоичной системе), то появление единицы в старшем разряде недопустимо. В этом случае управление передается функциональной вершине «Ошибка в КОП». Эта вершина содержит микрооперацию «Ошибка в ОП», которая останавливает систему.

• Логические условия РК(30), РК(29), РК(28) позволяют выполнить дешифрацию кода операции выполняемой машинной команды и перейти к соответствующей микропрограмме.

Порядок выполнения лабораторной работы:

1. Разработать обобщенную микропрограмму работы ЦУУ.

1.1. Исходными данными для разработки обобщенной микропрограммы являются: алгоритм решения задачи, система машинных команд и микропрограммы машинных операций, разработанные в лабораторной работе «Микропрограммы машинных операций» [1].

1.2. Обобщенная микропрограмма должна подготовить систему к выборке первой машинной команды, которая хранится в памяти по адресу «00». Для этого необходимо обнулить регистр адреса (РА) и программный счетчик с помощью соответствующих микроопераций. Эти микроопераций должны располагаться в самом начале обобщенной микропрограммы (вне микропрограмм машинных операций). Регистр, используемый в качестве программного счетчика, определяется вариантом задания.

1.3. В обобщенной микропрограмме необходимо выполнить:

- Выборку машинных команд из оперативной памяти в регистр команд. Выборка должна осуществляться вне микропрограмм машинных операций с помощью соответствующих микроопераций ([1], Таблица 2).

- Подготовку программного счетчика к выборке следующей машинной команды путем увеличения его содержимого на длину команды (в байтах).

- Расшифровку кода операции выполняемой команды и переход к выполнению соответствующей микропрограммы. Расшифровка кода операции осуществляется путем анализа разрядов кода операции выполняемой машинной команды: РК(28), РК(29), РК(30), РК(31) (см. [1], Пример выполнения задания, пункт 9).

- Окончание вычислений после выполнения машинной программы осуществляется микрооперацией «Стоп», входящей в состав соответствующей микропрограммы.

- Проверку кода операции машинной команды на наличие ошибки. В случае ошибки управление передается функциональной вершине «Ошибка в КОП». Эта вершина содержит микрооперацию «Ошибка в ОП». После выполнения этой микрооперации необходимо перейти к конечной вершине обобщенной микропрограммы.

2. Построить закодированный граф обобщенной микропрограммы. Для этого необходимо:

- каждую микрооперацию в обобщенной микропрограмме заменить управляющим сигналом Yi, инициирующим данную микрооперацию (см. [1], таблица 2.Список микроопераций), и дополнить сигналами настройки, конкретизирующими микрооперации (см. [1], таблицы 1,7 и 8).

- каждое логическое условие заменить соответствующим осведомительным сигналом Xj.

ВАЖНО!

1) В закодированном графе микропрограммы указываются только те сигналы настройки, значения которых в данной микрооперации равны единице.

2) Управление выбором операции, выполняемой в АЛУ, приведено в [1], (табл.1, Управление работой АЛУ). Сигналы настройки Y11 – Y15.

3) Управление выбором регистра общего назначения в микрооперациях

A: =РОН [T]

PA: =РОН [T]

приведено в [1], (табл.7, Выбор регистра общего назначения). Сигналы настройки Y7 – Y10.

4) В микрооперации РОН[T]:=РОН[T]*A необходимо выбрать микрооперацию, выполняемую в АЛУ, а также регистр общего назначения. Поэтому сигналами настройки будут Y7 – Y15.

5) Управления работой схемы инкремента-декремента в микрооперации РИ:=РИ+/-1 приведено в [1], (табл. 8). Сигнал настройки Y6.

3.Пример закодированного графа обобщенной микропрограммы приведен в [1] (рис.7, Закодированный граф обобщенной микропрограммы)

4.Построить граф автомата Мура.

4.1.Провести разметку закодированного графа обобщенной микропрограммы. Для этого:

- начальной и конечной вершинам закодированного графа присвоить метку А0.

- всем остальным функциональным вершинам закодированного графа присвоить соответственно метки А1, А2 и т.д.

4.2.Каждой метке А0, А1, А2 и т.д., поставить в соответствие вершину графа, а каждому переходу на закодированном графе поставить в соответствие дугу. В результате получим граф автомата Мура.

4.3. На графе автомата Мура каждую вершину снабдить перечнем управляющих сигналов, инициируемых в этом состоянии, а каждую дугу – осведомительными сигналами (условиями перехода).

Содержание отчета.

1. Постановка задачи и исходные данные.

2. Обобщенная микропрограмма.

3. Закодированный граф обобщенной микропрограммы.

4. Граф автомата Мура.

Важно! Граф автомата Мура используется в качестве исходных данных в последующих лабораторных работах цикла.

Контрольные вопросы.

1. Что такое «Обобщенная микропрограмма»?

2. Для чего используется обобщенная микропрограмма?

3. Как строится обобщенная микропрограмма?

4. Как строится закодированный граф обобщенной микропрограммы?

5. Как строится и для чего используется граф автомата Мура?

6. Что такое сигналы настройки? Для чего они используется?

7. Какой сигнал настройки определяет класс операций, выполняемых в АЛУ?

8.Почему в микрооперации РОН[T]:=РОН[T]*A сигналами настройки будут Y7 – Y15?

9.Как выполняется дешифрация кода операции? Какие сигналы для этого используются?

10.Как в обобщенной микропрограмме реализуется переход к следующей машинной команде (микропрограмме)?

11.Какие микрооперации завершают работу обобщенной микропрограммы?

12.Указыватся ли в закодированном графе микропрограммы сигналы настройки, значение которых в данной микрооперации равно нулю?