МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Т.Ф. Юминова
К.Ю.Петухов
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению курсового проекта
«Проектирование процессора ЭВМ »
по курсу «Организация ЭВМ, комплексов и систем» для
студентов дневного отделения специальности 2201
Ижевск 2001г.
ВВЕДЕНИЕ
Самостоятельная работа студентов – важнейшая часть процесса подготовки специалистов. Она активно способствует развитию творческого подхода к решению тех или иных задач, учит анализу и обоснованию принимаемых технико-экономических решений. Центральное место в самостоятельной работе студентов по курсу “Организация ЭВМ, комплексов и систем” занимает курсовой проект.
Курсовые проекты выполняются по индивидуальным заданиям, утвержденным кафедрой. Объектом проектирования является процессор ЭВМ общего назначения, предназначенный для реализации заданного набора команд из системы команд ЕС ЭВМ, отличающейся широким распространением и универсальностью.
Выполнение курсового проекта преследует цель привития навыков проектирования структуры ЭВМ в целом и отдельных ее узлов, в первую очередь процессора. В ходе проектирования возникает необходимость неформального использования знаний, полученных на лекционных, практических и лабораторных занятиях, преодоления своеобразного “психологического барьера” в виде первой достаточно сложной и самостоятельной работы по специальности.
Методические указания к выполнению курсового проекта включают в себя описание: функциональной и структурной организации проектируемого процессора, принципов адресации информации и процедур обращения к основной и регистровой памяти, а также форматов данных и команд, используемых при разработке процессора. Приведены исходные данные для проектирования. В методических указаниях дано описание системы команд ЕС ЭВМ, определены основные этапы разработки функциональных микропрограмм отдельных операций, приведены примеры микропрограмм, описана методика объединения микропрограмм, определен порядок проектирования управляющих автоматов с жесткой и программируемой логикой.
1. ТЕМАТИКА И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Целью курсового проекта является решение комплекса вопросов, связанных с проектированием процессора ЭВМ. Разработка процессора проводится в следующих аспектах: разработка функциональных микропрограмм заданных команд, объединение микропрограмм, привязка микропрограмм к структуре операционного автомата процессора, разработка структуры операционного автомата и управляющего автомата процессора.
Исходные данные для проектирования определяются номером задания и выбираются из таблицы 1.
Задание на курсовой проект содержит следующие исходные данные :
- набор команд, реализуемых проектируемым процессором (описание команд в [1]);
- емкость оперативной памяти (ОП);
- ширина выборки из ОП (длина слова ОП);
- тип управляющего автомата с жесткой логикой;
- система элементов для разработки принципиальных электрических схем;
-способ адресации микрокоманд для управляющего автомата с программируемой логикой.
1.1. Основные этапы проектирования
1. Разработка функциональных микропрограмм заданных команд. Для описания команд используется язык функционального микропрограммирования (Ф-язык), позволяющий в компактной форме отразить алгоритмы выполнения операций [1,2].
2. Объединение функциональных микропрограмм.
3. Разработка структурно-функциональной микропрограммы (в виде таблицы) и структурной схемы процессора.
4. Проектирование управляющего автомата с жесткой логикой.
5. Проектирование управляющего автомата с программируемой логикой.
1.2. Содержание пояснительной записки к курсовому проекту
В пояснительной записке (ПЗ) должны быть отражены все этапы проектирования. Оформлять ПЗ следует в соответствии с ЕСКД (ГОСТы 2.105-79, 2.106-68). Рекомендуется придерживаться следующей последовательности в изложении материала.
Для каждой операции, реализуемой процессором, приводится описание алгоритма ее выполнения [1], форматы данных и команды, особые случаи, приводящие к прерываниям, установка признака результата. При описании операций следует игнорировать аспекты, связанные с обработкой прерываний, средствами схемного контроля и защиты памяти, формированием дополнительной цифры мантиссы в командах арифметики с плавающей запятой и т.п.
На основе алгоритма для каждой операции разрабатывается блок-схема алгоритма ее выполнения, а затем функциональная микропрограмма (Ф-МП), отображающая все этапы выполнения операции: выборку команды, формирование адресов и чтение операндов из памяти, обработку операндов в соответствии с выбранным алгоритмом выполнения операции, установку признака результата (при необходимости), запись результата в память. Необходимо учитывать возможные состояния процессора: ОСТАНОВ-РАБОТА; ОЖИДАНИЕ-СЧЕТ; СУПЕРВИЗОР-ЗАДАЧА, а также фиксировать особые случаи, ведущие к прерыванию программы. Описание алгоритмов арифметических операций необходимо сопровождать примерами выполнения операций над числами уменьшенной длины (4-8 двоичных разрядов).Следует увязывать между собой Ф-МПы, т.е. однотипные действия выполнять с использованием одних и тех же внутренних слов и микроопераций.
Поясняющие текст рисунки и таблицы можно размещать в ПЗ по ходу изложения или на отдельных листах.
Объединение Ф-МПм возможно за счет наличия в разных микропрограммах одинаковых микрокоманд или блоков (нескольких операторных и условных вершин). В результате объединения минимизируется общее количество операторных и условных вершин. Объединение производится без учета выборки команд из памяти (этап выборки команды разрабатывается сразу в объединенном варианте, т.е. с учетом всех возможных длин команд).
Исходные микропрограммы могут быть объединены с учетом формализованных принципов объединения по алгоритму С.И.Баранова [5]. Пример объединения приведен в разделе (5) методических указаний. Объединенная функциональная микропрограмма вычерчивается на отдельном листе. Описание процесса объединения приводится в ПЗ.
Структурная электрическая схема проектируемой ЭВМ должна содержать оперативную и сверхоперативную памяти, связанные через магистраль (М) с процессором (рис.1). Операционный автомат процессора разрабатывается на схеме с точностью до операционных элементов с указанием всех связей между элементами схемы, управляющих и осведомительных сигналов. Отражается связь процессора с оперативной и регистровой памятью.
Для выявления всех связей в ОА и множества управляющих и осведомительных сигналов должна быть разработана структурно-функциональная таблица. Рекомендуется использовать структуру ОА с общими микрооперациями (МО) с последовательной комбинационной частью [2]. Каждой микрокоманде объединенной Ф-МПы ставится в соответствие набор управляющих сигналов, инициирующих ее выполнение в рамках разработанной структуры (строка структурно-функциональной таблицы). При этом учитываются все особенности структуры процессора: длина слова оперативной памяти (ОП), разрядность схем комбинационной части ОА, связь ОА процессора с ОП и регистровой памятью (РП) (см. табл.1). Каждому логическому условию (ЛУ) Ф-Мпы ставится в соответствие осведомительный сигнал. В структуру ОА должны быть введены комбинационные схемы – формирователи осведомительных сигналов. Все нетривиальные решения обосновываются. Набор операционных элементов, схем формирования осведомительных сигналов и состав регистров памяти ОА должен быть минимальным.
Структурно-функциональная таблица приводится в ПЗ, а схема электрическая структурная проектируемого процессора – на отдельном листе графической части курсового проекта (лист 2).
Управляющий автомат (УА) с жесткой логикой разрабатывается для фрагмента Ф-МПы, содержащего от 20 до 30 операторных вершин. Тип УА указан в задании на проект. Все этапы проектирования УА описываются в ПЗ и иллюстрируются необходимыми таблицами и рисунками. Схема электрическая принципиальная УА с жесткой логикой вычерчивается на отдельном листе графической части (лист 3) в соответствии с ЕСКД на базе заданной серии интегральных микросхем [3,4]. Перечень элементов приводится в приложении к ПЗ или на листе схемы. Рассчитываются затраты времени на формирование управляющих сигналов и переключение УА в следующее состояние (такт УА). Временные параметры микросхем определяются по справочнику [3,4] .
УА с программируемой логикой проектируется для всей объединенной Ф-МПы. С учетом заданного способа адресации микрокоманд разрабатывается формат микрокоманды (МК), проводится оптимальное распределение управляющих сигналов по полям операционной части микрокоманды. Все управляющие и осведомительные сигналы кодируются. Схема электрическая функциональная УА приводится на отдельном листе графической части (лист 4). В ПЗ обосновывается выбор формата МК. Для фрагмента МПы (можно использовать исходный фрагмент для УА с жесткой логикой) проводится процедура размещения микрокоманд в памяти в соответствии с заданным способом адресации микрокоманд.
Таблица 1
Варианты исходных данных для проектирования
| Номер варианта | Коды команд | Емкость ОП (Кбайт) | Длина слова ОП (байт) | Тип УА с жесткой логикой | Серия интегральных микросхем | Способ адресации микрокоманд |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1. 2. 3. 4. 5. | 38,5С,86 30,BE,4C 28,59,49 8F,95,1E 32,4C,46 | 256 128 512 1024 2048 | 8 4 4 2 2 | МИЛИ | 133 134 155 176 500 | 1 |
| 2 | ||||||
| 6. 7. 8. | 14,7C,06 33,7E,45 70,3C,44 | 4096 128 256 | 4 4 8 | МУРА | 530 531 533 | |
| 3 | ||||||
| Продолжение табл. 1 | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 9. 10. 11. 12. 13. 14. | 31,BE,40 54,2C,87 8A,55,34 15,3A,5A 41,3E,5E 13,7A,B7 | 1024 64 128 512 1024 256 | 8 2 2 4 4 8 | МИЛИ | 555 561 564 1500 1531 1533 | 3 |
| 1 | ||||||
| 2 | ||||||
| 15. 16. 17. 18. 19. 20. | 10,5D,24 89,2A,46 8B,7E,05 07,3B,5B 3E,94,59 34,4B,7B | 2048 128 64 512 2048 256 | 8 2 8 4 2 2 | МУРА | 1561 133 134 155 176 500 | |
| 3 | ||||||
| 1 | ||||||
| 21. 22. 23. 24. 25. | 12,7B,86 2B,95,4A 18,7D,19 86,BF,34 2C,BB,82 | 1024 128 4096 512 256 | 8 4 4 2 8 | МИЛИ | 531 533 555 561 564 | |
| 2 | ||||||
| 26. 27. 28. 29. | 10,2C,46 8D,6B,07 15,6F,98 58,5D,24 | 1024 2048 512 128 | 8 4 4 8 | МУРА | 1500 1531 1533 1561 | 3 |
| 30. 31. 32. 33. 34. | 42,6C,19 78,BF,1A 6B,BA,07 22,97,5B 23,7F,87 | 256 64 2048 512 128 | 8 2 2 8 8 | МИЛИ | 133 134 155 176 500 | 1 |
| 2 | ||||||
| 35. 36. 37. 38. 39. | 21,69,82 20,4C,5C 6C,94,1F 13,6C,96 48,3B,4B | 256 64 2048 256 512 | 4 4 2 2 8 | МУРА | 531 533 555 561 564 | |
| 3 | ||||||
| 40. 41. 42. 43. 44. | 24,BB,47 16,79,98 8E,29,60 14,3F,8A 16,2E,8F | 128 1024 64 128 4096 | 8 4 4 2 2 | МИЛИ | 1500 1531 1533 1561 133 | 1 |
| 2 | ||||||
| 45. 46. 47. 48. | 15,7B,44 88,6A,1A 07,69,54 78,1C,40 | 512 1024 2048 512 | 8 8 4 4 | МУРА | 134 155 176 500 | |
| 3 | ||||||
| Продолжение табл. 1 | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 49. 50. 51. 52. 53. 54. | 05,7A,90 8C,2B,45 60,90,1F 89,3A,54 48,6B,06 8E,2D,96 | 128 256 1024 64 256 512 | 2 2 8 8 4 4 | МИЛИ | 531 533 555 561 564 1500 | 1 |
| 2 | ||||||
| 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. | 3C,86,59 8A,3D,55 11,2F,97 8C,29,06 18,7C,1C 30,BA,4A 14,3D,98 8C,2A,17 56,39,92 15,7A,5A | 128 64 2048 128 256 512 1024 64 512 128 | 2 2 8 8 4 4 2 2 8 8 | МУРА | 1531 1533 1561 133 134 155 176 500 530 531 | 3 |
| 1 | ||||||
| 2 | ||||||
| 65. 66. 67. 68. 69. | 44,7D,07 97,2D,47 87,2E,5E 32,5C,86 8E,30,49 | 4096 64 2048 256 512 | 4 4 2 2 8 | МИЛИ | 533 555 561 564 1500 | 3 |
| 70. 71. 72. 73. 74. | 41,6D,1D 8D,6E,16 96,39,8C 68,1C,4B 46,7E,1E | 128 1024 2048 128 256 | 8 4 4 2 2 | МУРА | 1531 1533 1561 133 134 | 1 |
| 75. 76. 77. 78. 79. | 12,7F,43 28,40,44 95,2F,5F 8F,2B,5B 8B,3E,91 | 512 64 1024 2048 128 | 8 8 4 4 2 | МИЛИ | 155 176 500 530 531 | 2 |
| 80. 81. 82. 83. 84. | 50,3F,82 70,3A,57 58,39,87 07,6D,5D 8D,6E,1E | 4096 512 64 1024 2048 | 2 8 8 2 2 | МУРА | 555 561 564 1500 1531 | 3 |
| 1 | ||||||
| 85. 86. 87. 88. 89. 90. | 15,7F,57 20,90,44 88,3C,5C 43,79,05 11,7E,1A 40,3F,97 | 128 256 512 64 1024 2048 | 4 4 8 8 4 8 | МИЛИ | 1533 1561 133 134 155 176 | 2 |
| 3 | ||||||
| Продолжение табл. 1 | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 91. 92. 93. 94. 95. | 47,3C,82 39,4A,97 8E,6C,06 70,1C,8B 15,3D,44 | 128 4096 512 128 1024 | 2 8 8 2 2 | МУРА | 500 530 531 533 555 | 1 |
| 96. 97. 98. 99. 100. | 33,4B,86 40,2E,5E 50,3F,98 96,79,13 23,5D,87 | 2048 64 256 512 128 | 8 2 4 4 8 | МИЛИ | 561 564 1500 1531 1533 | 2 |
| 3 | ||||||
| 101. 102. 103. 104. | 32,69,8A 12,3A,57 14,3E,5E 7E,1E,30 | 1024 2048 64 4096 | 2 8 8 4 | МУРА | 1561 133 134 155 | |
| 1 | ||||||
| 105. 106. 107. 108. 109. 110. | 2E,5F,18 10,7A,91 29,86,1E 8A,3C,5C 07,37,40 60,2F,86 | 512 128 1024 2048 64 256 | 4 2 2 8 2 4 | МИЛИ | 176 500 530 531 533 561 | 2 |
| 3 | ||||||
Способы адресации микрокоманд: