Содержание

Введение

1 Алгоритм решения функциональной задачи

2 Выбор системы команд специализированной ЭВМ

3 Форматы команд и операндов

4 Содержательные графы микропрограмм операций АЛУ

5 Разработка объединенной микропрограммы работы АЛУ

6 Закодированные алгоритмы микропрограмм

7 Проектирование управляющего автомата

Введение

Целью курсового проектирования является закрепление знаний по курсу: «Организация ЭВМ и систем» , полученных в результате изучения лекционного курса и выполнения лабораторного практикума.

Объектом курсового проектирования является процессор специализированной ЭВМ.

В процессоре выделяют устройство, в котором выполняются все основные (арифметические и логические) операции. Это устройство называют арифметико-логическим устройством (АЛУ). Если все основные операции выполняются за один такт (это имеет место в большинстве современных микропроцессоров), АЛУ является частью операционного автомата процессора; если же некоторые или все основные операции выполняются алгоритмически за много тактов, АЛУ имеет собственное устройство управления.

Разработка процессора специализированной ЭВМ включает в себя следующие этапы:

Разработка алгоритма решения функциональной задачи.

Выбор системы команд специализированной ЭВМ.

Определение форматов команд и операндов.

Разработка алгоритмов микропрограмм выполнения минимально необходимого набора операций АЛУ.

Разработка объединенной микропрограммы работы АЛУ.

Разработка структурной схемы операционного автомата АЛУ.

Разработка управляющего автомата АЛУ.

1 Алгоритм решения функциональной задачи

Укрупненный алгоритм решения поставленной задачи представлен на рисунке 1.1. Алгоритм вычисления функций F приведен соответственно на рисунке 1.2.

Рис.1.1 Укрупненный алгоритм

Для вычисления функции F можно воспользоваться степенным рядом:

Функция Arth(x) разлагается [3] в степенной ряд:

Этот ряд сходится при |x|<1, . Сумму ряда удобно находить с помощью рекуррентных соотношений. Общий член ряда выражается в данном случае через предыдущий член ряда с помощью равенства:

2 Выбор системы команд специализированной ЭВМ

Для двухадресной системы команд без признака засылки основные операции над двумя операндами будут выглядеть так:

,

где

А1 – первый адрес в команде;

А2 – второй адрес в команде;

* - обозначение операции.

Введем обозначение:

N . Наименование операции . X . Y

X – первый операнд и результат операции.

Y – второй операнд (если он не участвует, то ставится -).

Для двухадресной системы команд без признака засылки программа будет выглядеть так:

Часть команд в этой программе имеют два адреса, а часть – один адрес, поэтому и система команд ЭВМ должна состоять из одноадресных и двухадресных команд.

3 Форматы команд и операндов

Будем считать, что оперативная память (ОП) состоит из 256 ячеек длиной в один байт каждая.

Двухадресная система команд без признака засылки содержит 13 различных наименований команд, для кодирования которых поле КО должно иметь 4 разряда.

Поскольку в данном случае имеются одноадресные команды и двухадресные команды, для их различия введено одноразрядное поле кода длины команды (КДК) и принято считать: КДК=1 - для одноадресных и КДК=0 - для двухадресных команд.

Разряды 5-7 первого байта всех команд здесь не используются. Формат команд приведен на рисунке 3.1.

В качестве операнда будет использоваться 16-разрядное слово, запятая считается фиксированной перед старшим разрядом, а ОП оперирует с однобайтовыми словами. Формат операнда в ОП представлен на рисунке 3.2:

Такой операнд загружается за два обращения к ОП, здесь старшие разряды операнды и знак содержатся в первом байте, а младшие разряды – во втором.

4 Содержательные графы микропрограмм операций АЛУ

Числа представляются в 16-разрядном формате, старший (нулевой) разряд используется для представления знака числа, для операции сложения используется модифицированный дополнительный код, поэтому регистр RG имеет 17 разрядов (0:16) (поле RG(1:16) – для хранения первого слагаемого), регистр RG1 имеет 16 разрядов RG1(0:15) – для второго слагаемого, одноразрядному полю признака переполнения изначально присвоено нулевое значение, при операции сложения слагаемые помещаются по младшим разрядам, результат (сумма) помещается в поле RG(1:16), прибавление константы означает прибавление 1 к младшему разряду слова.

Содержательный алгоритм сложения представлен на рисунке 4.1:

Рисунок 4.1 – Алгоритм операции сложения

Описание слов, использованных в микропрограмме сложения, представлены в таблице 4.1:

Таблица 4.1

Тип	Слово	Пояснение
ILO	RG(0:16)	Слагаемое (Сумма)
IL	RG1(0:16)	Слагаемое
ILO	ПП	Признак переполнения

Содержательный алгоритм вычитания представлен на рисунке 4.2:

Рисунок 4.2 – Алгоритм вычитания

Описание слов, использованных в микропрограмме вычитания представлены в таблице 4.2:

Таблица 4.2

Тип	Слово	Пояснение
ILO	RG(0:16)	Уменьшаемое (разность)
IL	RG1(0:16)	Вычитаемое
ILO	ПП	Признак переполнения

Содержательный алгоритмы умножения и деления представлены на рисунках 4.3 и 4.4:

Описания слов, использованных в микропрограммах представлены в таблицах 4.3 и 4.4:

Таблица 4.3

Тип	Слово	Пояснение
ILO	RG(0:16)	Множитель, произведение
IL	RG1(0:16)	Множимое
L	RG2(0:16)	Множитель, произведение
L	СТ(1:4)	Счетчик циклов

Таблица 4.4

Тип	Слово	Пояснение
ILO	RG(0:16)	Делимое, остаток, частное
IL	RG1(0:16)	Делитель
L	RG2(0:16)	Частное
L	СТ(1:4)	Счетчик
ILO	ПП	Признак переполнения

Содержательные алгоритмы умножения на 2 и нахождения абсолютной величины числа представлены на рисунке 4.5 и 4.6, а описания слов, использованных в микропрограммах – в таблице 4.5 и 4.6:

Рисунок 4.5 – Алгоритм операции «умножение на 2»

Рисунок 4.6 – Алгоритм приведения абсолютной величины числа

Таблица 4.5

Тип	Слово	Пояснение
ILO	RG(2:16)	Операнд
ILO	ПП	Признак переполнения

Таблица 4.6

Тип	Слово	Пояснение
ILO	RG(0:1)	Операнд

Содержательный алгоритм микропрограммы специальной функции Arth(x) представлен на рисунке 4.7, здесь до начала выполнения программы регистру RG4 присваивается значение X. Описания слов, использованных в микропрограмме – в таблице 4.7:

Таблица 4.7

Тип	Слово	Пояснение
ILO	RG(0:16)	Переменная x,n,b,a,F множитель, произведение, делимое, остаток, частное, слагаемое, сумма, уменьшаемое, разность
IL	RG1(0:15)	Переменная F,b,a константа, Множимое, делитель, слагаемое, вычитаемое
L	RG2(0:16)	Множитель, произведение, частное
L	RG3(0:15)	Переменная F
L	RG4(0:15)	Переменная x,a,b
L	RG5(0:15)	Переменная n
L	CT(1:4)	Счетчик
ILO	ПП	Признак переполнения

Теперь необходимо составить схему укрупненного алгоритма, используя уже полученную микропрограмму вычисления функции Arth(x). Предполагается, что переменные x1, x2 и x3 перед началом выполнения программы уже будут загружены соответственно в регистры RG4, RG3 и RG5. Данная схема алгоритма представлена на рисунке 4.8:

Рисунок 4.8 – Схема алгоритма

В таблице 4.8 представлено описание слов, использованных в программе. Так как описание слов для микропрограммы вычисления специальной функции было представлено в таблице 4.7, здесь приводится описание только тех слов, которые принимали значения отличные от тех, что использовались в алгоритме на рисунке 4.7.

Таблица 4.8

Тип	Слово	Пояснение
ILO	RG(0:16)	Переменная x1, x2,X делимое, остаток, частное, уменьшаемое, разность абсолютная величина числа
IL	RG1(0:15)	Переменная x2, x3 константа, делитель, вычитаемое
L	RG3(0:15)	Переменная x2
L	RG4(0:15)	Переменная x1, X
L	RG5(0:15)	Переменная x3

5 Разработка объединенной микропрограммы работы АЛУ

Процессор состоит из АЛУ и УЦУ.

В объединенном списке микроопераций, используемых в микропрограммах минимального набора операций АЛУ, для унификации формы записи различных операций и форматов одноименных слов следует по сравнению с рисунком 4.3 изменить три микрооперации:

для вершины 2 вместо микрооперации RG2 := RG нужно использовать микрооперацию RG2 := RG(1:16).0;

для вершины 6 вместо микрооперации RG2(1:15):=R1(RG (15).RG2(1:15)) – использовать микрооперацию RG2(1:15):=R1(RG(16).RG2(1:16);

вместо микрооперации RG(0):=1 в вершине 11 – использовать микрооперацию RG(0:1):=11.

Благодаря этим изменениям значение числовой части результата каждой операции присваивается полю RG(2:16) слова RG, а нулевой и первый разряды этого слова используются для представления знака числа. Появляется возможность считать, что перед началом каждой операции над двумя операндами в АЛУ значение первого операнда присваивается полю RG(1:16) слова RG, а значение второго операнда – слову RG1. При выполнении этого условия перед началом сложения и вычитания необходимо произвести присваивание RG(0) := RG(1), перед началом умножения нужно осуществить передачу RG2 := RG(1:16).0, а перед делением – микрооперации RG2(0):= RG(1) и RG(0:1):= 00.

В таблице 5.1 приведен список логических условий, используемых в микропрограммах:

Таблица 5.1

Обозначение	Лог. Условие	Тип операции
X1	RG(0)	Сложение и Вычитание
X2	RG1(0)
X3	RG(1)
X4	RG2(15)	Умножение
X5	CT=0
X6	RG2(1)
X7	RG1(0)ЕRG2(0)	Деление
X8	RG2(16)	Умножение на «2»
X9	RG(2)	Вычисление функции Arth(x)
X10	RG(0:16)

В таблице 5.2 приведен список микроопераций, используемых в микропрограммах:

Таблица 5.2

№	Микрооперации	Тип операции
Y1	RG(0):=RG(1)	Сложение
Y2	RG(2:16):=щ RG(2:16) +

Y3	RG:=RG+RG1(1:15)
Y4	RG:=RG+11.щ RG1(1:15)+

Y5	ПП:=1
Y6	RG1(0):= щ RG1(0)	Вычитание
Y7	RG2:=RG(1:16).0	Умножение
Y8	RG:=0
Y9	CT:=1510
Y10	RG2(1:16):=R1(RG(16).RG2(1:16))
Y11	RG(1:16):=R1(0.RG(1:16))
Y12	CT:=CT-1
Y13	RG:=RG+

Y14	RG(0:1):=11
Y15	RG2(0):=RG(1)	Деление
Y16	RG(2:16):=L1( RG(2:16).0)
Y17	CT:=0
Y18	RG2(1:16):=0
Y19	RG2(1:16):=L1(RG2(1:16).щ RG(0))
Y20	RG:=RG2(1:15)
Y21	RG(0:1):=00	Выделение абсолютной величины числа
Y22	RG3:=RG4	Вычисление функции Arth(x)
Y23	RG5:=

Y24	RG:=RG4
Y25	RG1:=RG
Y26	RG4:=RG
Y27	RG:=RG5
Y28	RG4:=RG1
Y29	RG1:=

Y30

RG5:=RG5+

Y31

RG:=RG3

В приложениях 1, 2 и 3 приведена соответственно схема объединенной микропрограммы работы АЛУ, закодированная схема объединенной микропрограммы работы АЛУ и структурная схема операционного автомата.

6 Закодированные алгоритмы микропрограмм

Закодированные алгоритмы сложения, вычитания, умножения, деления, умножения на «2» и выделения абсолютной величины числа представлены соответственно на рисунках 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 и 6.6:

7 Проектирование управляющего автомата

Формат микрокоманды при вертикальном кодировании имеет формат, представленный на рисунке 7.1:

Формат команды с принудительной адресацией представлен на рисунке 7.2:

Алгорим формирования исполнительного адреса обращения к микропрограммной памяти (МПП) представлен на рисунке 7.3:

Рисунок 7.3 – Алгоритм формирования адреса

В таблице 7.1 приведены все микрооперации, расположенные в микропрограммной памяти, где адрес A0 - переход по «истина»:

Таблица 7.1

Логичеcкий адрес МК в МПП	Формат микрокоманды
	Операционная зона	Адресная зона
	Y	X(1..l)	A0	A1
0	Y0		1
1	Y31		2
2	Y33		3
3	Y15		4
4	Y21		5
5	Y4		6
6		X1	23	7
7	Y16
8	Y9		9

9	Y18		10
10		X1	12	11
11	Y4		13
12	Y3		13
13	Y19		14
14	Y16		15
15	Y12		16
16		X5	17	10
17	Y20		18
18		X8	19	20
19	Y13
20		X7	22	21
21	Y21		24
22	Y14		24
23	Y5		24
24	Y25		25
25	Y24		26
26	Y6		27
27	Y1		28
28		X1	29	30
29	Y2		30
30		X2	32	31
31	Y3		33
32	Y4		33
33		X1	35	34
34		X2	36	38
35		X2	37	36
36	Y5		38
37	Y2		38
38	Y26		39
39	Y21		40
40	Y34		41
41	Y6		42
42	Y1		43
43		X1	44	45
44	Y2		45
45		X2	47	46
46	Y3		48
47	Y4		48
48		X1	50	49
49		X2	51	53
50		X2	52	51

51			Y5					53
52			Y2					53
53					X1			0			54
54			Y22					55
55			Y23					56
56			Y24					57
57			Y25					58
58			Y7					59
59			Y8					60
60			Y9					61
61					X4			62			63
62			Y3					63
63			Y10					64
64			Y11					65
65			Y12					66
66					X5			67			61
67					X6			68			69
68			Y13					69
69					X7			70			71
70			Y14					71
71			Y26					72
72			Y27					73
73					X9			75			74
74			Y16					76
75			Y5					76
76			Y6					77
77			Y1					78
78					X1			79			80
79			Y2					80
80					X2			82			81
81			Y3					83
82			Y4					83
83					X1			85			84
84					X2			86			88
85					X2			87			86
86			Y5					88
87			Y2					88
88			Y25					89
89			Y24					90
90			Y28					91
91			Y7					92
92			Y8					93
93	Y9					94
94				X4		95			96
95	Y3					96
96	Y10					97
97	Y11					98
98	Y12					99
99				X5		100			94
100				X6		101			102
101	Y13					102
102				X7		103			104
103	Y14					104
104	Y25					105
105	Y24					106
106	Y28					107
107	Y29					108
108	Y1					109
109				X1		110			111
110	Y2					111
111				X2		113			112
112	Y3					114
113	Y4					114
114				X1		116			115
115				X2		117			38
116				X2		118			117
117	Y5					119
118	Y2					119
119	Y25					120
120	Y24					121
121				X10		122			158
122	Y15					123
123	Y21					124
124	Y4					125
125				X1		142			126
126	Y16					127
127	Y9					128
128	Y18					129
129				X1		131			130
130	Y4					132
131	Y3					132
132	Y19					133
133	Y16					134
134	Y12					135
135				X5			136			129
136		Y20					137
137				X8			138			139
138		Y13					139
139				X7			141			140
140		Y21					143
141		Y14					143
142		Y5					143
143		Y30					144
144		Y31					145
145		Y32					146
146		Y1					147
147				X1			148			149
148		Y2					149
149				X2			150			151
150		Y3					152
151		Y4					152
152				X1			154			153
153				X2			155			157
154				X2			156			155
155		Y5					157
156		Y2					157
157							71
158		Y0