Процессор. Блок целочисленной арифметики.

Государственный комитет Российской Федерации

по высшему образованию

Казанский Государственный Технический Университет

имени А. Н. Туполева

----------------------------------------------------------------------------------------------

Кафедра электронно-вычислительных машин

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

“Процессоры”

Тема: Блок целочисленной арифметики.

Студент: Базуев Ю.А. , гр. 4301

Руководитель: Бикмухаметов Р.Р.

Оценка______________________

Дата защиты__________________

Подпись руководителя__________

Казань 1996

Cодержание

1. Задание................................................................................................3

2. Алгоритм.............................................................................................4

2.1. Алгоритм умножения...................................................................4

2.2. Алгоритм деления.........................................................................4

3. Операционная схема и микропрограмма выполнения операций......5

4. Функциональная схема операционной части устройства..................8

5. Функциональная схема управляющей части....................................11

6. Принципиальная схема управляющей части....................................13

7. Таблица микрокоманд......................................................................15

8. Литература........................................................................................16

2. Алгоритм операций

2.1. Алгоритм умножения

Eдоп*Fдоп=Gдоп

Перед началом операции в RG1=Fдоп ; RG2=0 ; RG3=Eдоп

Знаки сомножителей участвуют в операции наравне с остальными разрядами, а это значит что Eдоп и Fдоп перемножаются как обычные (m+1) разрядные целые числа без знака. При этом знак Едоп участвует для того чтобы СЧП (сумма частичных произведений) в RG2 формировалась в доп. коде. Знак Fдоп участвует для того чтобы произведение формировалось в двойном формате.

В каждом из (m+1) циклов умножения производятся действия:

1) Eдоп прибавляется к RG2 если P4=1;

₁

2) RG2, RG1, Tзн при сдвиге вправо необходимо сохранять представление СЧП в доп. коде, а это значит что слева нужно вводить 0, если число =>0 и 1, если число < 0.

2.2. Алгоритм деления

Gдоп/Eдоп=Fдоп

а) устанавливаем начальные значения регистров и триггеров

б) сдвигаем делимое на 1 разряд влево

в) анализируем знаки Gi-1 и E. Если одинаковы то вычитаем E из GR2.

Если разные то + E к RG2

г) анализируем знаки Giи E, если одинаковые то цифра частного =1

д) анализируем ТФ, если ТФ=1 выполняем проверку на ПРС 2-го этапа

е) уменьшаем значение счетчика циклов

ж) если счетчик не = 0 то переходим на пункт б)

з) передаем частное в RG1

и) корректируем частное

к) выдаем частное на выходную шину

3. Операционная схема и микропрограмма выполнения

операций

В соответствии с алгоритмом строим ОС (рис. 1) , определяем требуемый набор МО и граф МП (рис. 2) , считая что в RG3 выполняется однотактным способом (по входам D триггеров RG2) по сигналу у4; в RG1 - двухтактным способом (по входам R и S) по сигналам у6 и у7.

В ОС на Рис. 1 использованы следующие обозначения:

Тпп - триггер переполнения

Тпер - триггер переноса

Тзн1 - триггер знака множимого, флаговый триггер при делении

Тзн2 - триггер знака Gi-1

Тзн3 - триггер знака делимого

Х(8:0) - входная шина

Z(8:0) - выходная шина

В МП на Рис. 2 введены 15 осведомительных сигнала:

Р1= RG3(8) Р10 = Р1 Å Р3

Р2 = a Р11 = Р3 Å Р1

Р3 = RG2(8) P12 = P6 Å Р5

Р9 = RG2(7) Å RG2(6) P13 = P1 Tзн2 v P1 Tзн2

P4 = 1 (CT=0) P14 = Tпер

Р5 = RG1(0) Р15 = Тзн1

Р6 = Р1 Tзн2v Tзн2Р1

Р7 = 1 (RG2(8:0)=0)

Р8 = Тзн3

a - внешний сигнал определяющий вид операции

( 0 - умножение ; 1 - деление )

а также 17 импульсных управляющих сигналов:

у1: { RG2=RG2(8:0).RG1(8); у10: Тпп=1

RG1=RG1(7:0).0 } у11: RG2=RG1

y2: RG2=RG2+RG3+1 y12: RG2=RG2+1

y3: RG2=RG2+RG3 y13: Z=RG2

y4: RG3=X y14: { RG1=RG2(0).RG1(8:1);

y5: { RG2=X ; Tзн1=1 } Tзн1=RG1(0) }

y6: { RG1=X; Tзн3=P3; Tпп=0; y15: RG2=0.RG2(8:1)

СТ=9; Тпер=0; } y16: RG2=1.RG2(8:1)

y7: RG1(0)=1 y17: RG2=0

y8: Тзн1=0

у9: СТ=СТ-1

Z(8:0)

у13 Р15

Р5

зн RG1 1 1 Тзн1

8 7 0

у6 у1 у14 у7

Р2

Р3 у18

Тзн2 зн 1 1

8 7 6 RG2 0

у16 у5 у1 у15 ,у16

Р14

Тпер зн KSM у2 , у12

8 7 0

P1 у3 у2

зн

8 7 RG3 0

у4

Х(8:0)

Р4 ПРС Р8

СТ Тпп Тзн3

Рис. 1.

начало

2

a

0 1 5

y6 6

y17 1 9

0

0 2 11 3

P5

1 1 10

y3 7

0 0 15 0

P3 P14 1

1 1 1 12

0 8

P1 9

1 0 4

y16, y14, y9 y15, y14, y9 3

1

3 1 1 2

0

P4 7 0

1 8

0 1

P15 2 1 3

1

y2 13

11

8 1 13

y13 1

0 1

12

y11

0 8

0

0 3

1

10

у13

конец

Рис. 2.

4. Функциональная схема операционной части

устройства

На Рис. 3. представлена функциональная схема операционной части (ОЧ) на регистрах и мультиплексорах. В схему из УЧ подаются 15 импульсных управляющих сигналов с длительностью, равной 50 нс, причем часть управляющих сигналов ( у2 , у3 , у12 ) подаются на входы синхронизации регистров и одновременно участвуют в формировании сигналов на информационных входах триггеров с помощью различных комбинационных схем. Следовательно, во-первых, если время задержки упомянутых комбинационных схем превышает значение 50 нс, то схемой пользоваться нельзя, так как к моменту переключения триггеров сигналы на их информационных входах не успеют сформироваться. Например, сигнал у3 должен иметь длительность, достаточную для того, чтобы успели сработать элементы 2,3 и4 ступеней схемы, иначе в момент окончания у4 в RG2 зафиксируется неправильный результат. Таким образом, в данной схеме длительность сигналов МО должна определяться по времени выполнения самой длительной МО, которое при заданной элементной базе превышает заданное значение.

Во-вторых, так как сигналы на входах “С” и “D” триггеров RG2 при выполнении у2 , у3 и у12 оканчиваются одновременно (без учета задержек сигналов в комбинационных схемах), то триггеры могут не переключиться требуемым образом из-за возможной “игры фронтов” на входах “С” и “D”.

Для решения указанных проблем с целью повышения быстродействия и надежности схемы разобьем все МО на 2 группы.

В первую группу выделим МО у2 , у3 и у12 , связанные не только с переключением триггеров по входам синхронизации, но и с формированием сигналов на информационных входах этих триггеров.

Во вторую все остальные МО, для выполнения которых достаточны импульсные управляющие сигналы с длительностью равной 50 нс. Как правило, в эту группу входят действия, связанные с переключением триггеров по асинхронным входам, либо по входам синхронизации, если сигналы на информационных входах триггеров при этом не меняются.

Для выполнения МО 1-ой группы необходимы дополнительные потенциальные управляющие сигналы (сигналы с длительностью, не меньшей такта Т) , называемые микроприказами. Тогда импульсные управляющие сигналы подаются лишь на входы синхронизации триггеров, а формирование сигналов на информационных входах этих триггеров осуществляется с помощью микроприказов, которые должны поступать в схему ранее и заканчиваться позднее сигналов на входах синхронизации триггеров.

В управляющей части с программируемой логикой микроприказы формируются с помощью разрядов операционного поля микрокоманы, считываемой из управляющей памяти. Обозначим эти разряды и соответствующие им микроприказы через МК(j) , где j = 0 , 1 , 2 , ...

Если использовать три микроприказа, то схема Рис.3. преобразуется к виду, представленному на Рис.4 (без цепей записи со входной шины, без триггеров Тпп , Тзн3 , счетчика циклов и цепи выдачи на выходную шину). Здесь: во-первых, отсутствует триггер переноса, так как при использовании микроприказов сигнал переноса на выходе KSM становится потенциальным, и необходимость в его запоминании отпадает.

Во-вторых, сигналы у15 , у16 , у5 поступающие на один и тот же вход сдвига вправо RG2 , заменен одним сигналом у5 .

С целью упрощения ОЧ устройства заменим 2, 3 ступени схемы на Рис. 4. арифметико-логическим устройством (АЛУ). Тогда количество микроприказов увеличится до 5.

Функциональная схема ОЧ устройства, в которой применяется АЛУ, представлена на Рис. 5. Здесь АЛУ используется для выполнения трех действий, определяемых таблицей 1.

Таблица 1.

В таблице А` и B` - значения операндов, поступающих в АЛУ, F` - значение результата, формируемого на входах АЛУ; С0 - значение сигнала на входе переноса младшего разряда АЛУ.

В соответствии с таблицей 1 в схеме Рис 5. использованы пять микроприказов: МК(0) - S0 , MK(1) - S1 , MK (2) - S2 , MK(3) - C0 , MK(4) - вход данных вдвигаемых при сдвиге вправо на RG2.

Работа схемы определяется МП, представленной на Рис. 6. Список используемых импульсных сигналов:

у1: {

y2: С RG2=\/ y12: Z=RG2

y3: { >RG2=\/ ; >RG1=\/ }

y4: RG3=X

y5: RG2=RG1;

y6: { RG1=X; Tзн3=P3; Tпп=0;

Тзн1=1; СТ=9; }

y7: RG1(0)=1

y8: Тзн1=0

у9: СТ=СТ-1

9

X(8 : 0)

RG3 MS KSM 0 MS D RG2 D RG1

D 0 1 < > 0 < > 0

2 D< 1 D< 1

1 3 y16 D> D>

y17 R 8 y7 S0 8

A C y6 C

A0 > y14 >

y4 C C П9 y5 A1 y1 < y1 <

1

y5

y3 1 D Tпер у15 D Tзн2 D Tзн1

y2 C Р14 у16 1 Р2

у6 R у5 у1 С у14 С

1

y12

1

y11 y13 E

<9>

0 ST

1 1 P4 1

2 P7

3 y6 R Тпп ПРС P3 D Tзн3 P8 ...

y6 ЕI

y9 -1 y10 S y6 С

Рис. 3.

МК(2)

RG3 MS KSM 0 MS D RG2 D RG1

D 0 1 < > 0 < > 0

2 D< 1 D< 1

1 3 МК(3) D> D>

y17 R 8 y7 S0 8

A У2 C y6 C

A0 У5 > y5 >

y4 C C П9 y5 A1 y1 < y1 <

Р14

МК(0)

D Tзн2 D Tзн1

МК(1) 1 Р2

у1 С у5 С

у5

Рис. 4.

RG3 S3 АЛУ 0 MS D RG2 D RG1

D MK(2) S2 F 1 < > 0 < > 0

MK(1) S1 2 D< 1 D< 1

MK(0) S0 3 МК(4) D> D>

A` P14 y11 R 8 y7 S0 8

B` C9 У2 C y6 C

MK(3) C0 A0 У3 > y3 >

y4 C M y3 A1 y1 < y1 <

y5 1

y3

D Tзн2 D Tзн1

Р2

у1 С у3 С

1 D T

y3

y1 1 C

Рис. 5.

5. Функциональная схема управляющей части

Функциональная схема УЧ устройства представлена на Рис. 8 и включает следующие основные части: триггер запуска (Тзап), управляющую память (УП), регистр адреса МК (RGAMK), схему формирования управляющих сигналов МО у1 - у12 , основу которой составляет дешифратор МК (DCMK), мультиплексор логических условий (MS) и триггер ошибки (Тош), который устанавливается в 1 при обнаружении ошибки в МК, считываемой из УП.

Исходя из количества вершин в графе МП на Рис. 6 и ее сложности, определим ориентировочно количество ячеек в УП, равным 3 сегментам по 16 ячеек в каждом. Формат МК, записываемой в ячейке УП, приведен на Рис. 7.

MK Y XvSнов A` B

0 1 2 3 4 Q1 Q2 Q3 Q4 W P к.р

Рис. 7

Здесь старшие 9 разрядов образуют операционное поле МК. В первых 5 разрядах кодируются горизонтальным способом микроприказы МК(0 - 4),

начало

4

a

0 1 2

y6 6

y11 1 9

0

0 МК(1,2),2 11 МК(0),2

P5

1 1 10

МК(0),у2 7

0 0 15 0

P3 P14 1

1 1 1 12

0 8

P1 9

1 0 4

МК(4), y3, y9 y3, y9 3

1

МК(0),2 1 МК(1,2),2

0

P4 7 0

1 8

0 1

P15 МК(1,2),2 1 МК(0),2

1

МК(1,2), у2 12

5,2

8 1 13

y12 1

0 1

МК(3),2

у2, у5

0 8

1

0 1

1

0 3

1

у12 10

конец

Рис. 6.

в следующих 4-х разрядах ( Q1, Q2, Q3, Q4) кодируются вертикальным способом МО. В них фиксируется номер совокупности импульсных управляющих сигналов МО, входящих в данную МК. В МП на Рис. 6 входят 12 таких совокупностей сигналов. Обозначим их как: Y1=y2 , Y2=y6 , Y3=y1 , ­Y4=y7 , Y5=y8 , Y6=y9 , Y7={y5 , y2} , Y8=y10 , Y9=y12 , Y10=y4 , Y11=y11 , Y12={y3 , y9}.

Адресное поле МК включает 4-х разрядное поле Х, в котором фиксируется номер логического условия Рi (i=1-15), и 4-х значное поле адреса МК А=А`В где В - младший разряд адреса.

При формировании адреса следующей МК значение проверяемого условия Рi подставляется в младший разряд адреса А.

Также есть разряд W по которому производится останов МП, и разряд межсегментного перехода Р, при единичном значении которого производится межсегментный переход, адрес нового сегмента берется в поле Х.

Последний разряд в МК является контрольным разрядом проверки на четность.

В целом схема на Рис. 8 работает следующим образом. По сигналу “Запуск” в RGAMK фиксируется начальный адрес = 0. При этом на выходах УП с задержкой, равной времени чтения информации из УП, формируются разряды МК, записанной по данному адресу.

Одновременно по сигналу “Запуск” Тзап устанавливается в 1, и в схему УЧ начинают циклически поступать сигналы z1 , z2. По сигналу z1 в ОЧ поступают импульсные управляющие сигналы , по z2 в регистр RGAMK записывается адрес следующей ячейки памяти.

6. Принципиальная схема управляющей части

Принципиальная схема построена на основе общей шины в которую вводятся все входные и выходные сигналы.

Триггеры Тзап , Тош и Т реализованы на микросхеме ТВ9, RGAMK и GRSEG на микросхемах ТМ8, MS - на КП1, схема М2 на 2-х элементах ИП5 и микросхеме ЛП5, схема формирования импульсных сигналов на дешифраторе ИД3, УП - на пяти элементах ПЗУ РТ4.