Разработка вычислительного устройства

Разработать вычислительное устройство, выполняющее следующие операции:

изменение знака числа

деление чисел

Числа представлены в формате с плавающей точкой с разрядностью 18+6.

Описание структурной схемы устройства с ее обоснованием

Структурная схема устройства представлена на рисунке 1. Она состоит из двух частей. Первая часть схемы, в состав которой входят регистры Ao и Bo и сумматор, предназначена для работы с порядками чисел. Вторая часть схемы, состоящая из регистров Am, Bm и Z, мультиплексора, сумматора и компаратора предназначена для работы с мантиссами чисел.

При выполнении операции деления используется два числа - A (делимое) и B (делитель). Число A хранится в регистрах Ao и Am соответственно порядок и мантисса. Число B хранится в регистрах Bo и Bm соответственно порядок и мантисса.

В начале работы делимое A заносится в регистры: мантисса в регистр Am с помощью сигнала Y3, порядок в регистр Ao - Y4, а делитель B: мантисса в регистр Bm (Y5), порядок в регистр Bo (Y6). Мантисса делимого A сдвигается влево путем косой передачи из регистра Am в сумматор. Делитель B поступает в сумматор SM из регистра Bm в прямом или обратном кодах (Y9). Дополнительный код делимого образуется в SM за счет подсуммирования обратного кода делимого B сигналом “+1SM” (Y10).

Цифры частного Zi, определяемые по знаку частичных остатков в регистре Am, фиксируются в регистре Z путем последовательного занесения их в младший разряд регистра Z (Y7) и сдвига содержимого регистра Z (Y8).

Порядок частного определяется вычитанием порядков на SM путем подачи обратного значения порядка делителя из регистра Bo и фиксации результата в регистре Bo.

При выполнении операции изменения знака используется одно число. Число записывается в регистр Bm (Y5) и подается на сумматор SM в обратном коде (Y9) и записывается в регистр Am (Y3) с предварительным подсумированием единицы в сумматоре (Y10).

Рисунок 1

Описание блок-схемы алгоритма выполнения операций и ее микропрограммной реализации.

Блок-схема выполнения операций представлена на рисунке 2.

В начале работы гасится выходная готовность (Y14) и проверяется входная готовность (P1). После получения сигнала входной готовности обнуляются регистры A o и Am (Y0), Bo и Bm (Y1) и Z (Y2). Далее проверяется код операции (P2) для определения дальнейших действий.

Операция изменения знака числа - ветвь один.

Записываем исходное число в регистр Bm (Y5). Передаем на SM его обратный код с подсуммированием единицы младшего разряда (Y10). Данные с SM записываем в регистр Am (Y3). После этого устанавливаем выходную готовность (Y13) и заканчиваем работу.

Операция деления чисел - ветвь два.

Производим запись: мантиссы делимого в регистр Am (Y3), порядка делимого в регистр Ao (Y4) и мантиссы и порядка делителя в регистр Bm (Y5) и Bo (Y6) соответственно. Вычисляем разность порядков чисел путем сложения первого порядка с обратным кодом второго (Y11) и сохраняем результат в регистре Bo (Y6). Проверяем равенство делителя нулю (P3). Если делитель равен нулю, то сигнализируем об ошибке аргументов и устанавливаем выходную готовность (Y13). Если делитель не равен нулю, тогда деление возможно и начинается цикл поразрядного получения мантиссы частного. На SM передается сдвинутое косой передачей в сторону старших разрядов делимое и обратный код делителя (Y9) с подсуммированием единицы младшего разряда (Y10). С выхода SM частичный остаток заносится в регистр Am (Y3). Цифра модуля частного вычисляется как сумма по модулю два знаковых разрядов частичного остатка и делителя и заносится в предварительно сдвинутый на один разряд влево (Y8) регистр Z (Y7). Проверяем счетчик чисел (P4). Если он не равен нулю, продолжаем цикл по определению разрядов частного. Если счетчик равен нулю, то мы определили все разряды частного, и переходим к нормализации результата. Если число не нормализовано (P6), то производим сдвиг Z в сторону старших разрядов (Y8) и уменьшение порядка (Y12). После нормализации числа устанавливаем выходную готовность и заканчиваем работу.

Для реализации устройства используется управляющий автомат с выделенной адресной памятью, его схема изображена на рисунке 3, в таблице 1 представлены состояния его переходов, в таблице 2 управляющие сигналы и в таблице 4 описаны префиксные функции.

Рисунок 2

ПЗУ А
Адреса памяти	Условия переходов	Код ПФ	Адреса переходов
0	0	0	1
1	0	P1	1
	1	P1	2
2	0	P2	4
	1	P2	3
3	0	0	10
4	0	P3	8
	1	P3	12
5	0	P4	6
	1	P4	10
6	0	P5	7
	1	P5	8
7	0	0	9
8	0	0	9
9	0	0	5
10	0	P6	11
	1	P6	12
11	0	0	10
12	0	0	*

Таблица 1

Y0	Обнуление регистров Ao и Am
Y1	Обнуление регистров Bo и Bm
Y2	Обнуление регистра Z
Y3	Запись в регистр Am
Y4	Запись в регистр Ao
Y5	Запись в регистр Bm
Y6	Запись в регистр Ao
Y7	Запись разряда частного в регистр Z
Y8	Сдвиг регистра Z в сторону старших разрядов
Y9	Выбор операции в сумматоре
Y10	Подсуммирование 1 в сумматоре
Y11	Разность порядков
Y12	Уменьшение порядка частного в регистре Bo
Y13	Установка выходной готовности
Y14	Гашение выходной готовности

Таблица 2

 

Рисунок 3

Функция	Значение
P1	Входная готовность
P2	Код операции
P3	Признак равенства 0 делителя
P4	Конец деления
P5	Знак числа в регистре Am
P6	Признак нормализации
P7	Знак числа в регистре Bm

Таблица 3

На рисунке 4 представлена связь управляющего автомата с операционным автоматом.

Рисунок 4

Числовые тестовые примеры выполнения операций с пояснениями

Пусть X=11010111*23, Y=1101*22. Найти частное от деления X/Y.

Все действия выполняются в устройстве в следующей последовательности:

	0.1101111	Прямой код делимого	Частное X/Y
+	1.0011	Дополнительный код делителя
	0.0000	Остаток положительный	1
	0.0000	Остаток сдвинут влево на один разряд
+	1.0011	Дополнительный код делителя
	1.0011	Остаток отрицательный	10
	0.0111	Остаток сдвинут влево на один разряд
+	0.1101	Прямой код делителя
	1.0100	Остаток отрицательный	100
	0.1001	Остаток сдвинут влево на один разряд
+	0.1101	Прямой код делителя
	1.0110	Остаток отрицательный	1000
	0.1101	Остаток сдвинут влево на один разряд
+	0.1101	Прямой код делителя
	1.1010	Остаток отрицательный	10000

Одновременно вычисляется порядок частного следующим образом:

pc = px - py = 0.011 - 0.010 = 0.001

Описание функциональной схемы устройства.

Функциональная схема устройства представлена на рисунке 5.

Функциональная схема реализует схему работы с мантиссами.

Используемый мультиплексор 2-1 на вход которого подается число в прямом и дополнительном коде и в зависимости от ситуации выбирается одно из двух чисел. В процессе работы осуществляется контроль делителя на равенство нулю, поэтому используемый мультиплексор должен иметь стробируемый вход.

Сумматор складывает числа, которые пришли с выхода мультиплексора и регистра Am, результат переписывается в регистр Am, который запоминает это число, сдвигает его влево в сторону старших разрядов и снова передает его на сумматор.

Так же старший разряд регистра подается на результирующий последовательно параллельный регистр Z, в котором происходит накопление результата. После определение результата, полученное число надо нормализовать и поэтому результирующий регистр кроме последовательного входа и параллельного вывода должен осуществлять сдвиг числа влево в сторону старших разрядов.

 

Рисунок 5

Краткое описание принципиальной схемы

Принципиальная схема устройства представлена на рисунке 6.

Два числа поступают на сумматор, который их суммирует и передает результат на регистр. В качестве сумматора используется микросхема К555ИМ6, а в качестве регистра К155ИР13 и К555ИР11 которые отличаются только разрядностью. Старший разряд регистра поступает на вход результирующего последовательно – параллельного регистра, в котором накапливается результат. В данной схеме в качестве результирующего регистра используется микросхема К531ИР24.

Рисунок 6

Заключение

В данной курсовой работе было разработано вычислительное устройство, выполняющее следующие операции:

Нахождение абсолютного значения числа.

Деление чисел в формате с плавающей запятой.

Построен алгоритм обработки чисел. Расписаны управляющие сигналы и префиксные функции. По имеющемся данным построена функциональная схема устройства. Также была построена принципиальная схема указанной части устройства, в которой были использованы конкретные микросхемы. Приведен тестовый пример выполнения операций.