Козин И.В. Организация ЭВМ и систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский

государственный университет аэрокосмического приборостроения

____________________________________________________________

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ

Методические указания

к курсовому проектированию

Санкт-Петербург

2003

Составитель И. В. Козин

Рецензент кандидат технических наук Н. И. Иванов

Методические указания предназначены для выполнения курсового

проекта по дисциплине «Организация ЭВМ и систем» студентами

специальностей 2201, 2202, 2203, 2204 . Указания полезны также

студентам всех специальностей университета при проектировании

устройств и систем, в которых используется цифровая обработка

информации.

Подготовлены кафедрой вычислительных машин и комплексов и

рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом Санкт-

Петербургского государственного университета аэрокосмического

приборостроения.

©

Санкт-Петербургский

государственный университет

аэрокосмического

приборостроения, 2003

Подписано в печать 21.01.03. 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.1 . Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ №

Редакционно-издательский отдел

Отдел электронных публикаций и библиографии библиотеки

Отдел оперативной полиграфии

СПбГУАП

190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67

3

Выполнение курсового проекта по дисциплине «Организация ЭВМ и сис-

тем» имеет целью закрепить теоретические знания, полученные в процессе

изучения лекционного курса и выполнения лабораторного практикума, а

также привить навыки самостоятельной инженерной работы.

1. ОБЪЕКТ И ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Объектом курсового проектирования является процессор специализи-

рованной ЭВМ [1], или, что то же самое, специализированный процессор

(СП), т.е. арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство цен-

трального управления (УЦУ) специализированной ЭВМ.

В процессе проектирования выполняются следующие этапы:

1. Разработка алгоритма решения функциональной задачи.

2. Определение минимального набора операций АЛУ.

3. Разработка алгоритмов микропрограмм выполнения минимально необ-

ходимого набора операций АЛУ.

4. Разработка объединенной микропрограммы работы АЛУ.

5. Разработка структурной схемы операционного автомата АЛУ.

6. Выбор системы команд специализированной ЭВМ.

7. Разработка объединенной микропрограммы работы УЦУ.

8. Разработка структурной схемы операционного автомата УЦУ.

9. Разработка управляющего автомата АЛУ.

10. Разработка управляющего автомата УЦУ.

11. Оценка времени реализации алгоритма.

По результатам курсового проектирования оформляется пояснитель-

ная записка объемом 25–40 страниц текста с необходимыми для изложения

графическими материалами.

Записка должна быть оформлена в соответствии с требованиями

ГОСТ 7.32-91, ГОСТ 2.105-95 на листах стандартного формата с текстом на

одной стороне листа.

На отдельном листе представляется объединенный содержательный

алгоритм микропрограммы АЛУ и (или) УЦУ.

4

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Задание на курсовое проектирование СП включает два раздела – ал-

горитмический и архитектурный.

Алгоритмический раздел задания определяет проектируемый СП с

точки зрения выполняемых им функций. Необходимо разработать СП для

последовательного циклического вычислени следующих функций:

()

[]

{}

()

[]

{}

()

[]

{}

.,,

,,,

3291873

3261542

3231211

xxPxPPF

=

Функции

9861

,, PPPP

−

определяются по табл. 1, 2 в соответствии с

индивидуальным заданием, функция

7

P

представляет собой операцию воз-

ведения в степень, равную n =

.5,4,3,2

Таблица 1

№ варианта 0

1 2 3 4

Функции

41

, PP

x

e

xsin

xcos

shx

chx

№ варианта 5 6 7 8 9

Функции

41

, PP

xln

x

e

−

()

x

+

1ln

arctgx

xarcsin

Таблица 2

№ варианта 0

1

2 3 4 5

Функции

,,

32

PP

9865

,,, PPPP

+

–

×

/

ji

xx

−

ji

xx

−

Функции

74

, PP

вычисляются процессором программным путем,

функция

1

P

– микропрограммным.

Архитектурный раздел задания определяет проектируемый СП с

точки зрения структурной и функциональной организации.

Структура АЛУ и УЦУ определяется типом операционного автомата

(ОА), который согласно индивидуальному заданию выбирается из табл. 3.

Таблица 3

№ варианта 0 1 2 3

АЛУ

ОА с общими

микроопера

-

циями

ОА с закреп-

ленными мик-

рооперациями

ОА с общими

микроопера

-

циями

ОА с закреп-

ленными мик-

рооперациями

УЦУ

ОА с общими

микроопера

-

циями

ОА с общими

микроопера

-

циями

ОА с закреп-

ленными мик-

рооперациями

ОА с закреп-

ленными мик-

рооперациями

5

Заданием предусматривается, что управляющие автоматы СП строят-

ся по схеме с программируемой логикой. Тип адресации микрокоманд в УА

выбирается по табл. 4, метод кодирования операционной части микроко-

манды определяется по табл. 5.

Таблица 4

№ варианта 0 1 2 3

Тип адресации

МК в УА

Естествен-

ная

Принуди-

тельная

Страничная

Ортогональ-

ная

Таблица 5

№ варианта 0 1 2 3

Метод коди-

рования опе-

рацион

-

ной части МК

Вертикаль-

ный

Горизонталь-

ный

–

Смешанный

(диагональ-

ный)

Функциональная организация СП определяется методом представления

данных и системой команд. Данные представляются в формате с фиксирован-

ной запятой, разрядность слова информации задается равной m =16 бит, при

этом вид кода, в котором числа хранятся в ОЗУ, задается табл. 6.

Таблица 6

№ варианта

0 1 2

Код

Прямой

Обратный

Дополнительный

Заданием определяется также способ индикации переполнения ра з-

рядной сетки АЛУ по одному из следующих признаков – операции выпол-

няются в модифицированных или немодифицированных кодах.

Формат команды задается исходя из табл. 7.

Таблица 7

№ варианта 0 1 2 3

Формат ко-

манды

Одноадресная

без признака

засылки

Одноадресная

с признаком

засылки

Двухадресная

без признака

засылки

Двухадресная

с признаком

засылки

Интерфейс СП с ОЗУ емкостью 256×8 бит осуществляется

8-разрядными шинами для передачи данных, 8-разрядными адресными ши-

нами и системой управляющих шин.

Таким образом, в общем случае задание на курсовой проект опреде-

ляется содержимым табл. 1–7.

6

Индивидуальные варианты заданий на курсовое проектирование при-

ведены в табл. 8. В левом столбце этой таблицы перечислены номера вари-

антов. Столбцы, помеченные цифрами 1– 9, определяют по табл. 1 и 2 со-

ответственно функции P

1

– P

9

. При этом столбец, помеченный цифрой 7,

определяет не саму функцию P

7

, а величину n, определяющую эту функ-

цию. Столбец 10 определяет номер варианта в табл. 3, столбец 11 – номер

варианта в табл. 4. Аналогичным образом, столбец 12 определяет номер ва-

рианта в табл. 5, столбец 13 – номер варианта в табл. 6, а столбец 14 – но-

мер варианта в табл. 7.

Таблица 8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14

1 0 0 1 2 3 4 2 5 0 0 0 1 2 0

2 1 1 2 3 4 5 3 0 1 1 1 3 1 1

3 2 2 3 4 5 0 4 1 2 2 3 0 0 2

4 3 3 4 5 0 1 2 2 3 3 0 1 2 3

5 4 4 5 6 1 2 3 3 4 0 1 3 1 0

6 5 5 0 7 2 3 4 4 5 1 3 0 0 1

7 6 0 1 8 3 4 2 5 0 2 0 1 2 2

8 7 1 2 9 4 5 3 0 1 3 1 3 1 3

9 8 2 3 0 5 0 4 1 2 0 3 0 0 0

10

9 3 4 1 0 1 2 2 3 1 0 1 2 1

11 0 4 5 2 1 2 3 3 4 2 1 3 1 2

12 1 5 0 3 2 3 4 4 5 3 3 0 0 3

13 2 0 1 4 3 4 2 5 0 0 0 1 2 0

14 3 1 2 5 4 5 3 0 1 1 1 3 1 1

15 4 2 3 6 5 0 4 1 2 2 3 0 0 2

16 5 3 4 7 0 1 2 2 3 3 0 1 2 3

17 6 4 5 8 1 2 3 3 4 0 1 3 1 0

18 7 5 0 9 2 3 4 4 5 1 3 0 0 1

19 8 0 1 0 3 4 2 5 0 2 0 1 2 2

20 9 1 2 1 4 5 3 0 1 3 1 3 1 3

21 0 2 3 2 5 0 4 1 2 0 3 0 0 0

22 1 3 4 3 0 1 2 2 3 1 0 1 2

1

23 2 4 5 4 1 2 3 3 4 2 1 3 1 2

24 3 5 0 5 2 3 4 4 5 3 3 0 0 3

25 4 0 1 6 3 4 2 5 0 0 0 1 2 0

26 5 1 2 7 4 5 3 0 1 1 1 3 1 1

27 6 2 3 8 5 0 4 1 2 2 3 0 0 2

28 7 3 4 9 0 1 2 2 3 3 0 1 2 3

29 8 4 5 0 1 2 3 3 4 0 1 3 1 0

30 9 5 0 1 2 3 4 4 5 1 3 0 0 1

7

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЭТАПОВ ПРОЕКТА

3.1. Разработка алгоритма решения функциональной задачи

На этом этапе выполняется алгоритмизация функций

.,,

321

FFF

Ко-

нечным результатом этапа являются граф-схема алгоритма после-

довательного, циклического вычисления заданного набора функций

i

F

в

порядке возрастания номера i =1,2,3

и алгоритмы вычисления собствен-

но функций

.,,

321

FFF

Например, пусть индивиду-

альным заданием определены сле-

дующие номера вариантов для

функций

91

PP −

:

.4,1

,4,4,0

,7,4,1,3

98

765

4321

−−

=−−−

−−−−

PP

nPPP

PPPP

Тогда из табл. 1, 2 находим, что

проектируемый СП предназначен

для реализации следующей системы

функций:

()

1123

2123

4

3123

sh ,

ln 1 ,

.

Fxxx

=−−

=++−

=−−

Укрупненный алгоритм по-

следовательного, циклического вы-

числения полученной системы

функций можно поэтому предста-

вить в виде рис. 1.

Другой пример рассмотрен в [2].

Множество основных опера-

ций пусть содержит P

1

и может со-

держать сложение, вычитание, ум-

ножение, деление, сдвиги числа, ин-

вертирование знака и взятие абсо-

лютной величины числа

.

Начало

Ввод

x

1

, x

2

, x

3

Вывод

F

1

F

2

=ln(1+(x

1

+|x

2

-x

3

|))

Вывод

F

2

F

3

=(x

1

-|x

2

-x

3

|)

4

Вывод

F

3

Конец

работы

Коне

ц

Да

Нет

1

2

F

1

= sh (x

1

-|x

2

-x

3

|)

4

3

5

6

7

8

9

10

Рис.

1

8

Алгоритмы вычисления функций F

1

, F

2

, F

3

можно выразить через ос-

новные операции ЭВМ, если воспользоваться каким-либо символом для

обозначения операции присваивания значений переменным. В этих и во

всех последующих алгоритмах для этого будем использовать символ := .

Алгоритм вычисления

функции F

1

приведен на рис. 2,

функции F

3

– на рис. 3.

Для вычисления

функции F

2

можно

воспользоваться степенным ря-

дом [3]

()

...,1

...

4

1

3

1

2

1

1ln

1

43

2

+−+

+−

+−=+

+

n

x

xx

xxx

n

где n = 1,2,… Этот

ряд сходится при

.11 ≤<− x

Сумму

ряда удобно нахо-

дить с помощью

рекурентных

соотношений.

Общий член ряда a

n

выражается в данном

случае через

предыдущий член

ряда а

n-1

с помощью равенства

()

.1

1

xn

n

aa

nn

−

=

−

При вычислении в машине с фиксированной запятой можно считать до тех

пор, пока член ряда не станет машинным нулем. Алгоритм вычисления F

2

представляется тогда в виде рис. 4, где в вершинах 2, 3, и 4 производится

вычисление аргумента, в вершинах 5, 6 и 7 присваиваются начальные зна-

чения переменным, в вершинах 8–12 происходит вычисление очередного

Начало

F

2

x := x

2

-x

3

x := |x|

x := x

1

+x

2

3

4

5

a := x

n := 1

F

2

:= x

5

6

7

Да

a = 0

a := a

·x

a := a

·

n

a := a

·

(

-1)

n := n+1

a := a/n

F

2

:= F

2

+a

Нет

8

9

10

11

12

13

14

1

Конец

15

Рис. 4

F

3

:= x

·x

Начало

F

3

x = x

2

-x

3

x := |x|

x := x

1

-x

x := x

·

x

2

3

4

5

1

Конец

6

7

Рис. 3

F

1

= sh(x)

5

Начало

F

1

x := x

2

-x

3

x := |x|

x := x

1

-x

2

3

4

6

Коне

ц

6

Рис.2

1

9

члена ряда, в вершине 13 производится проверка условия окончания вы-

числительного процесса, в вершинах 11 и 14 изменяются параметры цикла.

Пример формирования алгоритмов для другой системы функций рас-

смотрен в учебном пособии [2].

Функция F

1

согласно разд. 2 вычисляется микропрограммным спосо-

бом, т.е. по одной команде. В этом случае код операции команды, по кото-

рой вычисляется F

1

, преобразуется в начальный адрес микропрограммы,

интерпретирующей алгоритм вычисления F

1

. Для вычисления функций из

табл. 1 используется разложение в степенной ряд [3].

3.2. Определение минимального набора операций АЛУ

Исходным материалом для выполнения этапа служат граф-схемы

алгоритмов F

1

, F

2

, F

3

, детализированные до элементарных операций.

Для рассмотренного в подразд.3.1 примера эти алгоритмы приведены на

рис. 2–4.

Из этих рисунков легко находим, что в данном частном случае мини-

мальный набор операций АЛУ должен быть следующим: арифметические

операции – сложение, вычитание, умножение, деление; операции специаль-

ной арифметики – вычисление функции

()

sh

x

, выделение абсолютной

величины числа

.

Некоторые разновидности арифметических операций с целью сокра-

щения времени их выполнения можно выделить и тоже отнести к списку

операций специальной арифметики. К ним для данного примера относятся

– умножение на (–1), которое сводится к инвертированию знака числа, и

умножение на два, которое эквивалентно сдвигу числа на один разряд вле-

во, если при этом не возникает переполнение разрядной сетки операцион-

ного автомата

3.3. Разработка алгоритмов микропрограмм

выполнения минимально необходимого набора операций АЛУ

Для каждой операции из минимально необходимого набора операций

АЛУ разрабатывается содержательный алгоритм микропрограммы [1,2].

При составлении алгоритмов микропрограмм операций следует считать,

что операнды к началу операций находятся в соответствующих регистрах

АЛУ. Выборка операнда из ОЗУ и запись результата в ОЗУ производится УА

(контроллером) ОЗУ, пересылка операндов между ОЗУ и процессором вы-

полняется УЦУ.

Конечным результатом данного подраздела являются: содержатель-

ные алгоритмы микропрограмм выполнения каждой операции из мини-

мально необходимого набора операций АЛУ, таблицы использованных в

этих микропрограммах слов, таблицы микроопераций и таблицы условий.

Пример разработки алгоритмов микропрограмм операций и состав-

ления таблиц слов, микроопераций и логических условий рассмотрен в [2].

10

Начало

F

1

x := x

2

-x

3

a = 0

x := |x|

x := x

1

-x

F

1

:= x

a := x

n := 1

a := a

·x

a := a

·x

z := n

·2

z

1

:= z+1

x := z

·z

1

a := a/z

F

1

:= F

1

+a

n := n+1

К

о

н

ец

Нет

Да

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

15

Рис. 5

1

Алгоритмы микропрограмм операций, перечисленных в подразд. 3.2,

за исключением функции shx, имеются в [2]. Там же приведены соответст-

вующие этим алгоритмам таблицы использованных в них слов, микроопе-

раций и условий.

Функция shx разлагается [3] в степенной ряд:

()

...,

!12

!5!3!12

12

53

+

+++=

−

=

+

−

n

x

xxxee

shx

n

xx

…

где n = 0,1,2…, сходящийся при

.∞<x

Общий член ряда можно пред-

ставить в виде

()

21

.

21!

n

x

a

n

+

=

+

Член разложения на предыду-

щем шаге можно представить в виде

()

!1)1(2

1)1(2

1

+−

=

+−

−

n

x

a

n

.

Если в

n

a

воспользоваться соот-

ношениями

() ()

()( )()()()

()()()

,122!112

!1212!1112!12

,

2112111212

+⋅+−=

++−=++−=+

⋅==

+−++−+

nnn

xxxx

nnn

получим следующее рекуррентное со-

отношение для вычисления функции

F

1

:

()

.

122

2

1

+

=

−

nn

x

aa

nn

(1)

Если при умножении оба операнда –

правильные двоичные дроби, произ-

ведение также будет правильной дво-

ичной дробью. Если оба сомножителя

– целые числа, то и произведение бу-

дет целым числом. Деление правиль-

ной двоичной дроби на целое всегда

возможно. Деление правильной дроби

на правильную дробь возможно лишь в том случае, когда делитель больше

делимого. Для обнаружения переполнения разрядной сетки результатом

используется модифицированный код.

Козин И.В. Организация ЭВМ и систем

Подождите немного. Документ загружается.