Разработка микропроцессорного устройства

Введение

    В современном мире роль информатики, средств обработки, передачи, накопления информации неизмеримо возросла. Средства информатики и вычислительной техники  сейчас во многом определяют научно-технический  потенциал страны, уровень развития ее народного хозяйства, образ жизни и деятельности человека. Для целенаправленного использования информации ее необходимо собирать, преобразовывать, передавать, накапливать и систематизировать. Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, называются информационными процессами. Получение и преобразование информации является необходимым условием жизнедеятельности любого организма. Даже простейшие одноклеточные организмы постоянно воспринимают и используют информацию, например, о температуре и химическом составе среды для выбора наиболее благоприятных условий существования. Живые существа способны не только воспринимать информацию из окружающей среды с помощью органов чувств, но и обмениваться ею между собой. Человек также воспринимает информацию с помощью органов чувств, а для обмена информацией между людьми используются языки. За время развития человеческого общества таких языков возникло очень много. Прежде всего, это родные языки (русский, татарский, английский и др.), на которых говорят многочисленные народы мира. Роль языка для человечества исключительно велика. Без него, без обмена информацией между людьми было бы невозможным возникновение и развитие общества. Информационные процессы характерны не только для живой природы, человека, общества. Человечеством созданы технические устройства - автоматы, работа которых также связана с процессами получения, передачи и хранения информации. Деятельность человека, связанную с процессами получения, преобразования, накопления и передачи информации, называют информационной деятельностью.

    Новой эрой в развитии обмена информацией  стало изобретение книгопечатания. Благодаря печатному станку, знания, информация стали широко тиражируемыми, доступными многим людям. Это послужило  мощным стимулом для увеличения грамотности населения, развития образования, науки, производства. В результате научно-технического прогресса человечество создавало все новые средства и способы сбора, хранения, передачи информации. Но важнейшее в информационных процессах - обработка, целенаправленное преобразование информации осуществлялось до недавнего времени исключительно человеком. Вместе с тем постоянное совершенствование техники, производства привело к резкому возрастанию объема информации, с которой приходится оперировать человеку в процессе его профессиональной деятельности. В настоящее время компьютеры используются для обработки не только числовой, но и других видов информации. Благодаря этому информатика и вычислительная техника прочно вошли в жизнь современного человека, широко применяются в производстве, проектно-конструкторских работах, бизнесе и многих других отраслях. Компьютер находится на рабочем столе специалиста любой профессии. Он позволяет связаться по специальной компьютерной почте с любой точкой земного шара, подсоединиться к фондам крупных библиотек, не выходя из дома, использовать мощные информационные системы - энциклопедии, изучать новые науки и приобретать различные навыки с помощью обучающих программ и тренажеров. Модельеру он помогает разрабатывать выкройки, издателю компоновать текст и иллюстрации, художнику - создавать новые картины, а композитору - музыку. Дорогостоящий эксперимент может быть полностью просчитан и имитирован на компьютере. Разработка способов и методов представления информации, технологии решения задач с использованием компьютеров, стала важным аспектом деятельности людей многих профессий.

1 Формализация задачи

    Даны  два массива чисел числа восьмиразрядные со знаком. Количество чисел в массивах одинаковое и равно N. Найти сумму положительных чётных в первом массиве и положительных нечётных чисел во втором массиве. Сравнить суммы между собой.

    Разработать микропроцессорное устройство, выполняющее операции вычисления целых чисел, используя:

   - Принцип  схемной логики;

   - Принцип  программируемой логики.

    В процессорное устройство необходимо включить логические элементы для формирования адресов ячеек памяти.

2 Два подхода к построению процессорного устройства

     Существует  два принципиально разных подхода  к проектированию микропроцессорного устройства: использование принципа схемной логики и использование принципа программируемой логики.

     В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор  цифровых микросхем (обычно малой и  средней степени интеграции) и  определяется такая схема соединения их вводов, которая обеспечивает требуемое  функционирование (т. е. функционирование микропроцессора определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, основанные на таком принципе схемной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессора состоит в трудности использования БИС (больших интегральных схем) и СБИС (сверхбольших интегральных схем). Это связано с тем, что при использовании схемного принципа каждый разрабатываемый процессор окажется индивидуальным по схемному построению и потребует изготовления индивидуального типа БИС. Тогда выпускаемые промышленностью БИС окажутся узкоспециализированными, число выпускаемых типов БИС будет большим, а потребность в каждом типе БИС окажется низкой. Выпуск многих типов БИС малыми сериями по каждому типу для промышленности окажется экономически невыгодным.

      Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому подходу в проектировании цифровых устройств, основанному на использовании принципа программируемой логики. Этот подход предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование обеспечивается занесением в память устройства определённой программы. В зависимости от введённой программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых разнообразных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, окажется небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой, что обеспечит целесообразность их выпуска промышленностью.

     Процессор, построенный на одной или нескольких БИС, называется микропроцессором.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Синтез операционного устройства

     Операционным называют устройство, предназначенное для выполнения каких-либо операций.

     Операционные  устройства могут быть простыми, предназначенными для выполнения конкретного алгоритма над определённым видом информации, и сложными, предназначенными для выполнения множества алгоритмов над информацией разного вида.

     Любое операционное устройство представляет собой цифровой автомат. К простым  операционным устройствам относятся, например, счётчики, регистры. Простые  операционные устройства не требуют какого-либо управления, в отличие от сложных.

     Сложное операционное устройство состоит из двух частей: из операционного автомата, реализующего алгоритм, и из управляющего автомата, отвечающего за поведение  операционного автомата.

     Сложные операционные устройства бывают последовательные, т. е. с многотактовым выполнением своих функций, или параллельными, или однотактовыми. Часто используются промежуточные, параллельно-последовательные формы операционных устройств.

     Процесс функционирования операционного устройства распадается на последовательность элементарных действий в его узлах, например:

     1). Установка регистра в некоторое  состояние;

     2). Инвертирование содержимого разрядов  регистра;

     3). Пересылка содержимого из одного  узла в другой;

     4). Сложение;

      5). Сравнение содержимого регистра  с некоторым числом;

     6). Некоторые логические действия (операции  дизъюнкции, конъюнкции, эквивалентности и др.).

     Каждое  такое элементарное действие, выполняемое  в одном из узлов операционного  устройства в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.

     Совокупность  нескольких одновременно выполняемых  операций называется микрокомандой, а набор микрокоманд, предназначенный для решения определённой задачи, называется микропрограммой.

     Для синтеза операционного устройства нужно чётко знать, какие операции выполняются и в какой последовательности.

     Синтез  операционного устройства включает в себя построение алгоритма операционного  устройства. Прежде, чем строить  алгоритм, операционное устройство разбивается  на отдельные блоки.

     Для выполнения поставленной задачи необходимо иметь:

• Регистр для хранения и обработки числа R;
• Регистры для хранения чётных Sч и нечётных Sн чисел;
• Регистр для формирования адресов ячеек памяти Rа;
• Счётчики чисел в массивах Сч(а) и Сч(в);
• Сумматор Sm;
• Компаратор для сравнения суммы чётных и нечётных чисел Comp;
• Шифратор CD и дешифратор DC для перевода чисел.
• Если суммы четных и нечётных чисел равны, то  Сч = 1.

     Описание  микроопераций:

у₀: обнуление регистра адреса: Rа ← 0;

у₁: запись в счётчик числа 1: Сч(а) ← 1;

у₂: запись в счётчик числа 1: Сч(в) ← 1;

у₃: обнуление регистра для хранения суммы чётных чисел: Sч ← 0;

у₄: обнуление регистра для хранения суммы нечётных чисел: Sн ← 0;

у₅: считывание в регистр очередного элемента массива А: R ← А [Сч(а)];

у₆: суммирование  значений  регистров R  и Sч  и  запись  результата  в  регистр  Sч: Sч ← Sч + R;

у₇: увеличение адреса числа на 1: Rа ← Rа + 1;

у₈: переход к следующему элементу массива А: Сч(а) ← Сч(а) + 1;

у₉: считывание в регистр очередного элемента массива В: R ← В [Сч(в)];

у₁₀: суммирование  значений  регистров R  и Sн  и  запись  результата  в  регистр  Sн: Sн ← Sн + R;

у₁₁: увеличение адреса числа на 1: Rа ← Rа + 1;

у₁₂: переход к следующему элементу массива В: Сч(в) ← Сч(в) + 1;

у₁₃: сравнение значений регистров Sч и Sн: Comp ← Sч = Sн.

у₁₄: Сч = 1. 
 

     Признаки:

х₁: проверка на «знак»: R [7] = 0;

х₂: проверка на чётность элемента массива А: R [0] = 0;

х₃: проверка на то, последнее ли это число массива А: Сч(а) = N;

х₄: проверка на «знак» R[7] = 0;

х₅: проверка на чётность элемента массива B: R [0] = 0;

х₆: проверка на то, последнее ли это число массива В: Сч(в) = N.

4 Построение алгоритма операционного устройства

4.1 Понятие алгоритма, его виды и свойства

     Алгоритм – строгая последовательность действий, описывающая процесс преобразования объекта из начального состояния в конечное, записанная с помощью понятных исполнителю команд.

     Исполнитель – это объект, выполняющий действия.

     Алгоритмизация — процесс разработки алгоритма (плана действий) для решения задачи.

     Алгоритмы состоят из отдельных команд, которые  выполняются одна за другой в определённой последовательности.

     Виды  алгоритмов:

• Линейный;
• Циклический;
• Разветвляющийся.

     Линейным называется такой алгоритм, при котором все действия выполняются однократно в заданном порядке.

     Циклический алгоритм – это алгоритм, в котором все действия должны повторяться указанное число раз или пока не выполнено заданное условие.

     Разветвляющийся алгоритм – это алгоритм, в котором в зависимости от условия выполняется либо одна, либо другая последовательность действий.

     Свойства  алгоритмов:

1. Дискретность (от латинского разделённый, прерывистый) – позволяет разделять информационный процесс в алгоритме на отдельные команды;
2. Детерминированность (от латинского определённость, точность) – это ясность для исполнителя последовательности выполнения команд;
3. Результативность – это свойство, обеспечивающее преобразование объекта из начального состояния в конечное за конечное число шагов;
4. Массовость – это свойство предполагает, что алгоритм должен быть пригоден для решения всех задач данного типа;
5. Конечность - каждое действие в отдельности и алгоритм в целом должны иметь возможность завершения.

     Алгоритм  должен быть формализован по некоторым  правилам посредством конкретных изобразительных средств. К ним относятся следующие способы записи алгоритмов: словесный, формульно-словесный, графический, язык операторных схем, алгоритмический язык.

     Наибольшее  распространение благодаря своей  наглядности получил графический (в виде блок-схем) способ записи алгоритмов.

     Блок-схемой называется графическое изображение логической структуры алгоритма, в котором каждый этап процесса обработки информации представляется в виде геометрических символов (блоков), имеющих определенную конфигурацию в зависимости от характера выполняемых операций.  
 
 
 
 

     Изображение элементов алгоритма:

Начало (конец) алгоритма;

Команда алгоритма;  

Условие алгоритма (это высказывание, которое может быть либо истинным, либо ложным); 

Ввод (вывод) данных.  

             Циклическая частота 
 
 

4.2 Схема алгоритма 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.3. Описание алгоритма

1. Начало;
2. Обнуляем регистр адреса Rа: Rа¬0;
3. Записываем в счётчик Сч(а) число 1: Сч(а)¬1;
4. Записываем в счётчик Сч(в) число 1: Сч(в)¬1;
5. Записываем в регистр сумму чётных чисел Sч: число 0: Sч¬0;
6. Записываем в регистр сумму нечётных чисел Sн: число 0: Sн¬0;
7. Считываем в регистр R число из массива А с порядковым номером Сч(а) (с тем числом, которое хранится в этом счётчике): R¬А[Сч(а)];
8. Проверяем число на «знак»: R[7]=0. Если старший разряд числа:

• равен 0, то число положительное, переходим к шагу 9;

• не равен 0, то число отрицательное, переходим к шагу 12;

9. Проверяем число на чётность: R[0]=0. Если младший разряд числа:

• равен 0, то число чётное, переходим к шагу 10;
• не равен 0, то число нечётное, переходим к шагу 12;

10. Производим сложение числа, находящегося в регистре Sч и числа, находящегося в регистре R. Результат помещаем в регистр Sч: Sч¬Sч+R;

11. Увеличиваем адрес числа на 1: Rа¬Rа+1;
12. Проверяем, последнее ли это число массива А: Сч(а)=N:

• если да, то переходим к шагу 14;

• если нет, то переходим к шагу 13;

13. Увеличиваем значение счётчика Сч(а) на единицу: Сч(а)¬Сч(а)+1 и переходим к шагу 7;

14. Считываем в регистр R число из массива В с порядковым номером Сч(в): R¬В[Сч(в)];
15. Проверяем число на «знак»: R[7]=0. Если старший разряд числа:

• равен 0, то число положительное, переходим к шагу 16;

• не равен 0, то число отрицательное, переходим к шагу 19;

16. Проверяем число на чётность: R[0]=0. Если младший разряд числа:

• равен 0, то число чётное, переходим к шагу 19;
• не равен 0, то число нечётное, переходим к шагу 17;

17. Производим сложение числа, находящегося в регистре Sн и числа, находящегося в регистре R. Результат помещаем в регистр Sн: Sн¬Sн+R;

18. Увеличиваем адрес числа на 1: Rа¬Rа+1;
19. Проверяем, последнее ли это число массива В: Сч(в)=N:

• если да, то переходим к шагу 21;

• если нет, то переходим к шагу 20;

20. Увеличиваем значение счётчика Сч(в) на единицу: Сч(в)¬Сч(в)+1 и переходим к шагу 14;

21. Сравниваем сумму чётных и нечётных чисел: Sч=Sн;

• Если да, то переходим к шагу 22;

• Если нет, то переходим к шагу 23;

22.  Сч=1;

23.  Конец. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5  Синтез устройства управления

         Устройство управления (или управляющее устройство) входит в состав микропроцессора и предназначено для подачи управляющих сигналов в устройства ЭВМ, и обеспечивает их соответствующее функционирование и взаимодействие друг с другом.

     Синтез  управляющего устройства основан на синтезе операционного устройства. За основу берётся схема алгоритма  операционного устройства, на базе этой схемы строится схема алгоритма  в микрооперациях, схема алгоритма  в макрооперациях, схема алгоритма в микрокомандах и граф функционирования. Завершающим этапом синтеза устройства управления является построение структурной схемы устройства управления.  

     Микрооперации обозначаются символами у₀, у₁, у₂ и т. д. Совокупность нескольких однотипных микроопераций образуют макрооперацию. Макрооперации обозначаются символами Y₀, Y₁, Y₂, и т. д. Для обозначения микрокоманд применяются символы а₀, а₁, а₂ и т. д.  
 
 
 
 
 
 
 

  5.1  Построение схемы алгоритма в микрооперациях   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.2  Построение схемы  алгоритма в макрооперациях   

5.3 Построение схемы  алгоритма в микрокомандах 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.4 Построение графа функционирования

5.5 Структурная схема устройства управления