48894 (Розробка структурної схеми процесорного елемента та мікропрограми керування для реалізації команди SBR Rm, B)

Міністерство освіти і науки України

Черкаський національний університет імені Богдана Хмельницького

Факультет інформаційних технологій та біомедичної кібернетики

Валяєв Олександр В’ячеславович

Розробка структурної схеми процесорного елемента та мікропрограми керування для реалізації команди SBR Rm, B

Курсова робота

з дисципліни

„Проектування комп’ютерних інформаційних систем”

Виконав:

––––––––––––– ст. групи КІ-031

Валяєв О. В.

Керівник:

––––––––––––– викл. Лукаш В. І.

Черкаси – 2007

ЗМІС

ВСТУП

1. Розробка структурної схеми

1.1. Опис основних елементів мікропроцесора

1.2. Вибір підходящої структури процесорного елемента та його опис

1.3. Реалізація пристрою управління

2. Розробка мікропрограми

2.1. Загальний алгоритм виконання процесором команди SBR Rm, B

2.2. Спрощена мікропрограма та її пояснення

ВИСНОВОК

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ДОДАТКИ

ВСТУП

На даний час практично неможливо вказати якусь галузь науки і виробництва, в якій би не використовувалися мікропроцесори (МП) і мікроЕОМ.

Універсальність і гнучкість МП як пристроїв з програмним управлінням поряд з високою надійністю і дешевизною дозволяють широко застосовувати їх в різномагітних системах управління для заміни апаратної реалізації функцій управління, контролю, вимірювання і обробки даних. Застосування МП і мікроЕОМ в системах управління промисловим обладнанням передбачає, зокрема, використання їх для управління верстатами, механізмами транспортувань, зварювальними автоматами, прокатними станками, атомними реакторами, виробничими лініями, електростанціями, а також створення на їх основі робототехнічних комплексів, гнучких автоматизованих виробництв, систем контролю і діагностики. Мікропроцесорні засоби дозволяють створювати різноманітні по складності виконуваних функцій пристрої управління – від простих мікроконтроллерів нескладних приладів і механізмів до складних спеціалізованих і універсальних систем розподіленого управління у реальному часі.

Вбудовані в прилади і апаратуру МП і прості мікроконтролери жорстко запрограмовані на реалізацію вузькоспеціалізованих задач, їх програмне забезпечення проходить відладку на спеціальних стендах або універсальних ЕОМ, потім записується в ПЗП і рідко змінюється в процесі експлуатації.

Спеціалізовані мікроЕОМ реалізуються найчастіше на основі секційних мікропрограмованих МП, що дозволяють адаптувати структуру, розрядність, систему команд мікроЕОМ під певний клас задач. Проте такий підхід організації систем вимагає трудомісткої і дорогої розробки «власного» програмного забезпечення.

Останнім часом широке поширення набувають також програмовані мікроконтролери, що є спеціалізованими мікроЕОМ, орієнтованими на розв’язування численних задач в системах управління, регулювання і контролю.

Бачимо, що досконале знання внутрішньої будови та принципів роботи мікропроцесора необхідне для досягнення високої кваліфікації в галузі комп’ютерної техніки.

Даний курсовий проект направлений на детальне вивчення будови мікропроцесора та принципів його роботи. Завдання курсової роботи заключається в наступному:

1. Розробити схему власного процесора для забезпечення виконання команди “SBR Rm, B”;

2. Охарактеризувати архітектуру розроблюваного процесора, визна­чити принцип його роботи

3. Написати мікропрограму для мікроконтроллера, який би виконував роль блоку управління процесором

2. Розробка структурної схеми

1. Опис основних елементів мікропроцесора

Мікропроцесор — центральний пристрій (або комплекс пристроїв) ЕОМ, який виконує арифметичні і логічні операції, задані програмою перетворення інформації, управляє обчислювальним процесом і координує роботу пристроїв системи. В обчислювальній системі може бути декілька паралельно працюючих процесорів, такі системи називають багатопроцесорними.

Основними характеристиками мікропроцесора є швидкодія і розрядність. Швидкодія — це число операцій, що виконуються за секунду. Розрядність характеризує об'єм інформації, який мікропроцесор обробляє за одну операцію: 8-розрядний процесор за одну операцію обробляє 8 біт інформації, 32-розрядний — 32 біта. Швидкість роботи мікропроцесора багато в чому визначає швидкодію комп’ютера. Він виконує всю обробку даних, що надходять в комп'ютер і зберігаються в його пам’яті, під управлінням програми, що також зберігається в пам’яті.

Моделі процесорів включають наступні пристрої:

• Пристрій управління (ПУ). Цей пристрій відповідає за видачу сигналів, що керують роботою всіх пристроїв всередині процесора і взаємодією із шиною пам'яті.

• Арифметико-логічний пристрій (АЛП, ALU). Так називається пристрій для цілочисельних операцій. Арифметичні операції, логічні операції та операції зсуву обробляються за допомогою АЛП. Ці операції складають переважну більшість програмного коду в більшості програм. У процесорі може бути декілька АЛП.

• AGU (Address Generation Unit) — пристрій генерації адрес. Цей пристрій не менш важливий, ніж АЛП, оскільки він відповідає за коректну адресацію при завантаженні або збереженні даних. Абсолютна адресація в програмах використовується тільки в рідкісних виключеннях. Як тільки беруться масиви даних, в програмному коді використовується непряма адресація, що примушує працювати AGU.

• Математичний співпроцесор (FPU). Процесор може містити декілька математичних співпроцесорів. Кожний з них здатний виконувати, щонайменше, одну операцію з плаваючою крапкою незалежно від того, що роблять інші АЛП. Метод конвеєрної обробки даних дозволяє одному математичному співпроцесору виконувати декілька операцій одночасно. Співпроцесор підтримує високоточні обчислення як цілочисельні, так і з плаваючою крапкою і, крім того, містить набір корисних констант, які прискорюють обчислення. Співпроцесор працює паралельно з центральним процесором, забезпечуючи, таким чином, високу продуктивність. Система виконує команди співпроцесора в тому порядку, в якому вони з'являються в потоці. Математичний співпроцесор персонального комп'ютера IBM PC дозволяє йому виконувати швидкісні арифметичні і логарифмічні операції, а також тригонометричні функції з високою точністю.

• Дешифратор інструкцій (команд). Аналізує інструкції в цілях виділення операндів і адрес, по яких розміщуються результати. Потім слідує повідомлення іншому незалежному пристрою про те, що необхідне зробити для виконання інструкції. Дешифратор допускає виконання декількох інструкцій одночасно для завантаження всіх виконуючих пристроїв.

• Кеш-пам'ять. Особлива високошвидкісна пам'ять процесора. Кеш використовується як буфер для прискорення обміну даними між процесором і оперативною пам'яттю, а також для зберігання копій інструкцій і даних, які недавно використовувалися процесором. Значення з кеш-пам'яті витягуються безпосередньо, без звернення до основної пам'яті.

• Шина — це канал пересилки даних, використовуваний спільно різними блоками системи. Інформація передається по шині у вигляді груп бітів. До складу шини для кожного біта слова може бути передбачена окрема лінія (паралельна шина), або всі біти слова можуть послідовно в часі використовувати одну лінію (послідовна шина). До шини може бути підключено багато приймальних пристроїв — одержувачів.

Типи шин:

1. Шина даних. Служить для пересилки даних між регістрами процесора та АЛП.

2. Шина адрес. Використовується для вибору необхідного елементу пам'яті або пристрою введення-виведення шляхом установки на шині конкретної адреси, що відповідає одному з елементів пам'яті або одному з елементів введення-виведення, що входять в систему.

3. Шина управління. По ній передаються сигнали управління для пам'яті і пристроїв введення-виведення. Ці сигнали указують напрям передачі даних (у процесор або з нього).

• Регістри — це внутрішня пам'ять процесора. Це ряд спеціалізованих додаткових елементів пам'яті, а також внутрішні носії інформації мікропроцесора. Регістр є пристроєм тимчасового зберігання даних, чиесл або команд і використовується з метою полегшення арифметичних, логічних і пересильних операцій. Основним елементом регістра є електронна мікросхема, тригер, яка здатна зберігати одну двійкову цифру (розряд). Регістр є сукупністю тригерів, пов'язаних один з одним певним чином загальною системою управління.

Деякі важливі регістри мають свої назви, наприклад:

1. лічильник команд – регістр, вміст якого відповідає адресі наступної команди; служить для автоматичної вибірки команди з послідовних елементів пам'яті.

2. регістр команд — регістр ПУ для зберігання коду команди на період часу, необхідний для її виконання. Частина його розрядів використовується для зберігання коду операції, інші — для зберігання кодів адрес операндів.

3. показник на вершину стека — використовується для роботи стеку.

Мікропроцесор є ядром системи і здійснює управління всіма операціями. Його робота представляє послідовну реалізацію мікропроцедур вибірки-дешифрації-виконання.

Таким чином, в мікропроцесор виконує наступні функції:

• вибірку команд програми з основної пам'яті;

• дешифрацію команд;

• виконання арифметичних, логічних і інших операцій, закодованих в командах;

• управління пересилкою інформації між регістрами і основною пам'яттю, між пристроями введення/виведення;

• відробіток сигналів від пристроїв введення/виведення, зокрема реалізацію переривань з цих пристроїв;

• управління і координацію роботи основних вузлів МП.

1.2 Вибір підходящої структури процесорного елемента та його опис

Структура створеного процесорного елемента зображена в додатку 1, розшифровка позначень, використаних у схемі, наведена в додатку 2.

Створюючи власну структуру процесорного елемента я вирішив, що його розрядність зручно зробити 8 біт, розрядність адрес теж я вирішив зробити 8 біт. Відповідно розрядність абсолютно всіх регістрів, а саме регістрів загального призначення, допоміжних регістрів АЛП, регістру даних пам’яті, регістру адрес пам’яті (MAR), лічильника команд (PC), регістру команд (IR) та регістру станів (PSW) — теж 8 біт.

Команди – однооперандні. Розмір коду операції – фіксований, і складає 8 біт. Структура команди має такий вигляд:

Операнд вибирається після дешифрації команди в тому випадку, якщо він потрібен. Для спрощення вважається, що операнд завжди присутній, просто в деяких командах він не використовується. В нашому випадку операндом є константа, з якою виконується порівняння. Rm (біти 0 та 1) — це номер регістра, значення якого порівнюється зі значенням константи. Нехай для нашої команди біти 2-7 мають таке значення: 000001b. Так як регістрів у нас 4, то можливі наступні варіанти коду команди:

00000100 SBR R0, B

00000101 SBR R1, B

00000110 SBR R2, B

00000111 SBR R3, B

Кількість регістрів загального призначення (R0..R3) вибрана такою малою через нестачу портів введення/виведення в пристрої управління.

До структури процесора також ввійшов пристрій приросту. Його задача — збільшення значення 8-розрядного регістру PC на одиницю за один такт, при цьому не займаючи шину даних.

Безпосередньо до шини даних під’єднані всі структурні елементи процесора, крім пристрою управління та пристрою приросту. Останній може отримувати дані лише через регістр IR (через старший або молодший байт). Виведення даних з пристрою управління на шину можливе лише через IRoff. Під’єднати шину даних безпосередньо пристрою управління не вдалося через нестачу портів введення/виведення в пристрої управління.

Для економії часу на пересилку адреси наступної команди з регістру PC в регістр MAR я вирішив з’єднати їх між собою безпосередньо. Завдяки цьому при вибірці кожної команди економиться один такт процесора. Крім того, пересилку PC MAR для отримання наступної команди можна здійснювати під час виконання поточної команди, адже така пересилка не використовує шину даних. Тоді можна економити ще один такт при вибірці кожної команди.

На структурній схемі знехтувано лініями керування та лініями синхронізації, по яким пристрій управління посилає сигнали до всіх елементів процесора.

На рис 2 (додаток 1) показана розроблена архітектура процесора. В ній арифметико-логічний пристрій (АЛП) і всі регістри з'єднані однією загальною шиною. Це внутрішня шина процесора, яку не слід плутати з зовнішньою шиною, що з'єднує процесор з основною пам'яттю і пристроями введення\виведення.

Лінії даних і адреси зовнішньої шини пам'яті з'єднані з внутрішньою шиною процесора через регістр даних пам'яті, MDR, і регістр адреси пам'яті, MAR. Регістр MDR має два входи і два виходи. Дані можуть завантажуватися в нього або з зовнішньої шини пам'яті, або з внутрішньої шини процесора. Дані, що зберігаються в MDR також можуть бути поміщені на будь-яку з цих шин. Вхід регістра MAR з'єднаний із внутрішньою шиною і регістром PC, а його вихід — із зовнішньою. Керуючі лінії шини пам'яті з'єднані з дешифратором команди і керуючим логічним блоком.

Всі операції всередині процесора виконуються протягом періодів часу, що обумовлені тактовим сигналом процесора, або сигналом синхронізації, що надходить від пристрою управління, в якості якого в нашому випадку вступає мікроконтроллер. Сигнали, що керують конкретними операціями пересилання, активізуються на початку такту.