Разработка арифметико-логического устройства в соответствии с индивидуальным вариантом.

Т.к.∀|Yi|<|Y|, то разрядность kiлюбого из подполей может быть меньше k. При «удачном» распределении микроопераций по подмножествам можно реализовать произвольную операторную вершину ГСА микропрограммы,применив одну микрокоманду(быстродействиесоответствует горизонтальному способу кодирования), и существенно уменьшить разрядность поля микроопераций. «Удачное» разбиение исходного множества микроопераций основано на совместимости (несовместимости) микроопераций [14]. Используемые в микропрограмме микрооперации могут выполняться параллельно во времени, или только последовательно. Свойство наборов микроопераций, обеспечивающее возможность их одновременного исполнения, называют совместимостью. Микрооперации, не обладающие этим свойством, называют несовместимыми. Несовместимость бывает функциональной и структурной. 2-е микрооперациинесовместимы функционально, еслиприсваивают разные значения одной и той же переменной. Если в некоторой структуре ОА связь между регистрами осуществляется через общую шину данных, то они структурно несовместимы. Каждое подмножество исходного множества микроопераций может включать только взаимно несовместимые микрооперации. Существует несколько формальных методов [14] разбиения множества микроопераций на подмножества. В простейшем случае воспользуемся методом «прямого включения». Проектирование УАПЛ Как уже говорилось, исходным для проектирования управляющего автоматаслужит микропрограмма, которая изображенана рис. 5 и представлена в форме ГСА. Требуется разработать устройство, которое реализуетзаданное поведение. В качестве управляющего устройства проектируется управляющий микропрограммный автомат с программируемым типом логики. Общая структура устройства показана на рис. 12. Заданный вариант организации адресации и способ кодирования поля микроопераций:естественная адресация и смешанный способ кодирования,такжетребуется реализоватьформат микрокоманд. Определение формата микрокоманды Разрядность полей микрокоманды обусловлена: • количеством разных микроопераций, которые формируетуправляющий автомат, определяющих длину поля микроопераций; • количеством разных логических условий, оопределяющихдлину поля х; • количеством вершин ГСА, связанным с общим числом микрокоманд, с объемом ПЗУ микропрограмм и разрядностью поля адреса. Множество микроопераций Y , используемых в заданной ГСА – Y ={y1, y2,...,y30}, мощность множества |Y|=30. При горизонтальном кодировании получим поле микроопераций 30 разрядов. Вертикальный способ кодирования микроопераций к заданной ГСА невозможен, т.к.онасодержит вершины с 2-мя и 3-мя микрооперациями. Представим множество Y в виде подмножеств несовместимых микроопераций. Разобьем исходное множество на 3 подмножества, s=3. При этом образуется три подмножества – Y1, Y2, Y3.Разместим в них микрооперации операторной вершины, которые имеют s микроопераций. Посколькув граф-схеме автомата несколько таких вершин – выбираем любую. Y1={y3},Y2={y4},Y3={y6}. Затем разместим по множествам микрооперации из следующей вершины, которая содержит3-и микрооперации: Y1={y3,y5}, Y2={y4,y7}, Y3={y6,y8}. В результате нераспределенной осталась частьмикроопераций «одинарных» и «двойных» вершин. У вершин (у15, у17), (у20, у11), (у16, у21) – обе микрооперации несовместимы с уже распределенными, следовательно могут размещаться произвольно, лишь бы находились в различных подмножествах:Y1={y3,y5,y15,y11}, Y2={y4,y7,y17,y16}, Y3={y6,y8,y20,y21}. Для вершины (у24, у20) – у24 нельзя размещать в Y3, поскольку совместимая c ней у20 ∈Y3.Подмножества предпочтительно заполнять равномерно, разместим у24 в Y1:Y1={y3,y5,y15,y11,y24}, Y2={y4,y7,y17,y16}, Y3={y6,y8,y20,y21}.У вершины (у25, у26)обе микрооперации могут располагаться произвольно.Y1={y3,y5,y15,y11,y24}, Y2={y4,y7,y17,y16,y25}, Y3={y6,y8,y20,y21,y26}.Остались нераспределенные микрооперации для «одинарных» вершин – y1, y2, y10, y9, y12, y14, y13, y18, y19, y22, y23, y27, y28, y29 и y30, несовместимые ни с какими другими, размещаем произвольно и равномерно:Y1={y3,y5,y15,y11,y24,y1,y9,y13,y22,y28}, Y2={y4,y7,y17,y16,y25,y2,y12,y18,y23,y29}, Y3={y6,y8,y20,y21,y26,y10,y14,y19,y27,y30}.Все 30 микроопераций распределены по 3-м подмножествам, при этом имеет место разбиение исходного множества Y.Но управляющий автомат обычно вырабатывает дополнительную микрооперацию, которая показывает окончание выполнения алгоритма и предназначена для использования не в ОА, а в УА верхнего уровня иерархии. Пусть эту микрооперация уk включена в произвольное множество (Y1), т.к. она несовместима с другими микрооперациями. Получим следующее распределение: Y1={y3,y5,y15,y11,y24,y1,y9,y13,y22,y28,уk}, Y2={y4,y7,y17,y16,y25,y2,y12,y18,y23,y29}, Y3={y6,y8,y20,y21,y26,y10,y14,y19,y27,y30}.Для кодирования элементов каждого из 3-х подмножеств потребуется по 4-ре двоичных разряда.Учтем, что в каждом подмножестве необходим дополнительный код для случая отсутствия микрооперации из этого подмножества в микрокоманде. Оптимальное разбиение заданного множества такое, что∀|Yi| =2r−1,где r – натуральное число. Упорядочим элементы подмножеств в порядке возрастания индексов и получим: Y1={y1,y3,y5,y9,y11,y13,y15,y22,y24,y28,уk}, Y2={y2,y4,y7,y12,y16,y17,y18,y23,y25,y29}, Y3={y6,y8,y10,y14,y19,y20,y21,y26,y27,y30}.Определим размеры полей микрокоманды:- поле микроопераций будет состоять из трех подполей – Y1, Y2, Y3, названных по именам соответствующих подмножеств, размером в 4 двоичных разрядакаждое. - поле номера условия х будет содержать номер одного из шести логических условий – x1, …, х6, причем для повышения гибкости процесса микропрограммирования добавим возможность выбирать еще и тождественно ложное и тождественно истинное условия. Тогда поле х займет три разряда. - поле адреса определяется размером ПЗУ микропрограмм. Будем считать, что УА разрабатываетсятолько для реализации микропрограммы рис. 11, которая содержит 34 вершины, не включая начальной, конечной и условных, количество микрокоманд (ячеек памяти, имеющих свой адрес), выдаваемых УА, будет не менее 34, а реально более – (1,2,..., 1,3) × 34.Тогда для поля адреса в микрокоманде отведем 6 разрядов (26 = 64 > 1,3 × 34 ≈ 45). В поле адреса располагается адрес памяти – двоичный номер ячейки, а в полях Yi и х – коды микроопераций и логических условий. Окончательный формат микрокоманды будет иметь следующий вид:Рис. 15. Формат микрокоманды Кодировка микроопераций и логических условий Кодировку осуществим произвольно, как показано в табл. 5. Таблица 5. Таблица кодирования микроопераций и логических условий КодY1Y2Y3КодX0000øøø000Константа 00001y1y2y6001x10010y3y4y8010x20011y5y7y10011x30100y9y12y14100x40101y11y16y19101x50110y13y17y20110x60111y15y18y21111Константа 11000y22y23y261001y24y25y271010y28y29y301011yk--1100---1101---1110---1111---Выбрав кодировку, напишем микропрограмму в машинных микрокодах, т.е. сформируем содержимое ПЗУ микропрограмм (табл. 6).Таблица 6. Содержимое ПЗУ микропрограмм АдресY1Y2Y3xA10000000000000001001111 (15)1000000010000000xxxxxx2001000100001000xxxxxx3001100110010010010000 (16)4000000000000011010001 (17)5000000000011000xxxxxx6011000000000000xxxxxx7000001010111100011101 (29)8100000000000000xxxxxx9100100000110000xxxxxx10000010011000101000011 (3)11000000000000010??????12101000000000110011110 (30)13000000001010000Xxxxxx14101100000000000xxxxxx15000100000000111000010 (2)16000000000000011010011 (19)17000000000010000Xxxxxx18010100000000111000110 (6)19000000000010000Xxxxxx20000000000011000Xxxxxx21011000000000000xxxxxx22011101100000100??????23000001110000000xxxxxx24010100000110000xxxxxx25011000000000000xxxxxx26011100000000000xxxxxx27000000000111100??????28000001110000111001001 (9)29000010000000111001001 (9)30000010100000000xxxxxx31101100000000000xxxxxxПроанализировавграф-схему автомата микропрограммы (см. рис. 11), видно, что в 1-м такте работы автомата расположенаусловная вершина, которая содержит логическую переменную x1. Т.к. в начальном состоянии автомата РгСч А МК удобно установить в 0, то в микрокоманде, которая расположена по нулевому адресу, необходимоанализировать переменнуюx1.При x1= 0 следующей необходимо выполнить микрокоманду (y2) по адресу 1, в противнои случае – микрокоманду(y1) по неизвестному еще адресу. Запишем строку таблицы для нулевой ячейки памяти, заполнив ее следующим кодом: 0000 0000 0000 001 ??????. Вернемся к ней позже, чтобы заполнить поле адреса перехода.За первой условной вершинойграф-схему автоматаидет операторнаявершина, которая содержитмикрокоманду, формирующую микрооперацию(y2) и, безусловно передающую управление следующей микрокоманде (y3,y4,y6).Из табл. 5 следует, что y2∈Y2 и имеет код 0001. Микроопераций, включенных в множества Y1и Y3, в этой микрокоманде нет. Следовательно поле микроопераций микрокоманды будет содержать такой код: 0000 0001 0000. Заполним строку таблицы для 1-й ячейки памяти: 0000 0001 0000 000 ххххxx. В поле x этой микрокоманды код 000 указывает на тождественно ложное условие (константу 0) – к РгСч А МК добавитсяединица, содержимое поля адреса перехода не будет использоваться.Аналогично заполняем строки табл. 6соследующими адресами ПЗУ, которые соответствуют микрокомандам на рис. 11. Это микрокомандыусловных переходов по переменным х2,х3, х4, х5, х6 имикрокоманды, формирующие микрооперации (y3,y4,y6), (y5,y6,y8), (y10), (y13), (y16,y21), (y22), (y24,y20), (y25,y26), (y28), (y30).Послеэтого размещается микрокоманда, соответствующая конечной вершине ГСА, которая завершает работу микропрограммы микрооперацией уk. В результате завершено микропрограммирование участка ГСА от начальной до конечной вершины. Вернемся к логической вершине, которая размещена по нулевому адресу. Микрокоманду, которая следует за ее единичным выходом (y1) разместим по следующему свободному (15) адресу. В поле адреса перехода ячейки 0 после этого поместим код 001111. Микрокоманда по адресу 15 формирует одну микрооперацию и переходит к уже размещенной микрокоманде (y3,y4,y6) по адресу 2. Следовательно, ее поле х = 111 адресует тождественно истинное условие, а в поле переадресации указан адрес 2. Аналогично добавляя оставшиеся команды формируем содержимое ПЗУ микропрограмм и определяем адреса переходов в микрокомандах. В результате всем операторным вершинам ГСА (в том числе конечную) должны соответствовать микрокоманды в ячейках ПЗУ.В микропрограмму можно дополнительно включать микрокоманды, которые не формируют никаких микроопераций, а обеспечивают только передачу управления. Изобразим структурную схему разработанного УА (рис. 16).При проектировании удобно цифровое устройствопредставить в виде совокупностиОА и УА. После этого проектирование устройства сведется к процедурам последовательного проектирования операционного и управляющего автоматов. При этом выделяют следующие этапы:Рис. 16. Структурная схема управляющего автомата 1) Разрабатываются алгоритмы выполняемых операций. Определяется список входных, выходных, а также внутренних переменных и выбираются коды выполняемых операций. Т.к.по заданию предполагается реализация1-й арифметической и 1-й логической операций, все алгоритмы представляютсяв форме объединенной граф-схемы автомата. Например, проверку на нуль регистра Рг2 для формирования переполнения можно провести с помощью побитовой логической операций эквивалентности.2)Разрабатываютсяструктуры ОА – определяется состав элементов и их связей, а также, если необходимо,определяютсяструктуры нестандартных элементов. Создается структурная (функциональная) схема ОА, а также функциональные схемы нестандартных элементов. 3)Определяетсясписокмикроопераций и логических условий. Каждому оператору из граф-схемы автоматаставитсяв соответствие микрокоманда или группамикрокоманд, которые обеспечивают реализацию данного оператора на разработанной структуре. Если необходимо,расширяется набор элементов и/или связей структуры. Определяютсяэлементы структуры для формирования значений логических переменных, анализирующихся в логических вершинах граф-схемы автомата. Составляются списки микроопераций и логических условий операционного автомата. 4) Разрабатываются микропрограммы выполнения заданных операций на выбранной структуре операционного автомата. С сохранением топологии графа алгоритма операторы операторных вершин заменяютсяна соответствующие микрооперации, а условия, анализирующиеся в условных вершинах – на соответствующие логические условия из списка, который получен на этапе 3. При переходе к микропрограмме стремятся к уменьшению числа операторных вершин для упрощения схемы УА(например, совмещением операторных вершин граф-схемы автомата в одну вершину микропрограммы, если в структуреоперационного автоматаодновременно выполняютсянеобходимые действия). Создается исходнаямикропрограмма для проектирования УА. На этом разработкаОА завершена.Разработка микропрограммного автомата с программируемой логикой: 1) Разбивается множество микроопераций на подмножества попарно-несовместимых микроопераций (опускается при выборе «вертикального» или «горизонтального» способакодирования поля микроопераций). 2) Определяется формат микрокоманд. 3) Разрабатывается функциональная схемаУА. 4) Заполняется таблица программирования постоянного запоминающего устройства микрокоманд. На этомпроектирование УА с программируемой логикой с естественным способом адресации микрокоманд и кодирования микроопераций завершено.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате работы была синтезирована схема АЛУ, соответствующая требованиям технического задания к курсовому проекту, свыводом результата на основе входных данных. Этапы проделанной работы:поиск необходимой справочной документации;освоение технологий проектных и исследовательских работ;выбор и обоснование технических решений;изучение современных стандартов;изучение особенностей архитектуры ЭВМ;разработана структурная схема АЛУ.выбрана необходимая элементная база для проектирования АЛУ;оформлена пояснительная записка в соответствии с действующими стандартами.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК1. Бройдо, В. Л. Архитектура ЭВМ и систем [Текст] : учебник для вузов / В. Л. Бройдо, О. П. Ильина. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2009. – 720 с.2. Жмакин, А. П. Архитектура ЭВМ [Текст] / А. П. Жмакин. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. – 320 с.3. Таненбаум, Э. Архитектура компьютера [Текст] / Э. Таненбаум. – 5-е изд. – СПб.: Питер, 2009. – 844 с.4. Старков, В. В. Архитектура персонального компьютера: организация, устройство, работа [Текст]: учебное пособие для вузов / В. В. Старков. – М.: Горячая линия-Телеком, 2009. – 536 с.5. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Схемотехника ЭВМ» для студ. напр. 230100.62 «Информатика и вычислительная техника» и 230200.62 «Информационные системы» [Текст] / сост. В. И. Воловач. – Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2010. – 464 с.6. Воловач, В. И. Учебные материалы по дисциплине «Архитектура и устройства компьютерной техники» [Электронный ресурс] / В. И. Воловач, А. В. Савенко. – http://www.tolgas.ru/university/cathedra/elservice/downloads.7. Кузин, А. В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем [Текст] : учебник А. В. Кузин, Т. А. Пескова. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2006. – 352 с.8. Партыка, Т. Л. Периферийные устройства вычислительной техники [Текст] : учеб.пособие / Т. Л. Партыка, И. И. Повов. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2007. – 432 с.9. Новиков, Ю. В. Основы микропроцессорной техники [Текст] : курс лекций : учеб.пособие для вузов / Ю. В. Новиков, П. К. Скоробогатов. – 3-е изд., испр. – М.: Интернет-Ун-т, Информ. Технологий, 2006. – 357 с.10. Кузин, А. В. Микропроцессорная техника [Текст] : учеб.для сред. проф. образования / А. В. Кузин, М. А. Жаворонков. – М.: Академия, 2004. – 304 с.11. Нарышкин, А. К. Цифровые устройства и микропроцессоры [Текст] : учеб.пособие для вузов радиотехн. спец. / А. К. Нарышкин. – М.: Академия, 2006. – 318 с.12. Хамакер, К. Организация ЭВМ [Текст] / К. Хамакер, З. Вранешич, С. Заки. – 5-е изд. – СПб. : Питер, 2003. – 848 с.13. Т. Л. Партыка. Электронные вычислительные машины и системы [Текст] : учеб.для сред. проф. образования / Т. Л. Партыка, И. И. Попов. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2007. – 367 с.14. Майоров, С. А. Принципы организации ЦВМ [Текст] / С. А. Майоров, Г. А. Новиков. – Л. : Машиностроение, 1974. – 384 с.15. Баранов, С. И. Синтез микропрограммных автоматов [Текст] / С. И. Баранов. – Л. : Энергия, 1974. – 216 с.16. Савельев, А. Я. Прикладная теория цифровых автоматов [Текст] / А. Я. Савельев. – М. : Высшая школа, 1987. – 272 с.17. Закревский, А. Д. Алгоритмы синтеза дискретных автоматов [Текст] / М. : Наука, 1971. – 512 с.18. Максимов Н.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем [Текст] : учеб.для сред. проф. образования по спец. «Автоматизация и упр.» / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2006. – 511 с.