Проектування спеціалізованого арифметико-логічного пристрою для операції віднімання

2 ПРОЕКТУВАННЯ СПЕЦІАЛІЗОВАНОГО  АРИФМЕТИКО-ЛОГІЧНОГО ПРИСТРОЮ ДЛЯ ОПЕРАЦІЇ ВІДНІМАННЯ

 

Пристроєм керування називається  функціональна частина комп’ютера, яка призначена для автоматичного  керування обчислювальним процесом за допомогою послідовності керуючих і синхронізуючих сигналів.

 

2.1 Мікропрограми  операцій та їх графи

 

       Час, протягом якого виконується  одна машинна команда, називається  машинним циклом. Протягом машинного  циклу ПК забезпечує виконання  таких дій: 

       • зчитування чергової команди  з ОП, її дешифрацію та зберігання  протягом циклу; 

       • формування адрес операндів  та результату з інформації, яка міститься в коді команди, вибірку операндів з ОП або РЗП;

       • вироблення необхідної для виконання певної команди послідовності керуючих сигналів;

       • переадресацію за безумовними й умовними ознаками;

  • реалізацію операцій керування та ін.

      В УПК виділяють дві основні функціональні частини –  програмну і мікропрограмну. Програмна частина реалізується центральним пристроєм керування (ЦПК). Він визначає послідовність виконання команд програми, розшифровує команди, виробляє виконавчі адреси, пересилає операнди в операційний пристрій і підготовлює його до виконання за даної операції.

       Мікропрограмна частина ПК призначена  для виконання мікропрограм в  ОБ. Конструктивно мікропрограмна  частина реалізується у вигляді  блоків місцевого керування (БМК). Таким чином, у загальному випадку  керуючий пристрій комп’ютера  складається з ЦПК і ряду  БМК. У проектованому спеціалізованому  АЛП використовується БМК, що відноситься до цифрових автоматів Мура або Мілі.

Загальна  теорія автоматів поділяється на абстрактну і структурну. Абстрактна теорія вивчає поведінку автомата відносно зовнішнього середовища і не розглядає  способів його побудови. Структурна теорія автоматів вивчає способи побудови логічних схем автоматів на основі алгоритму, заданого на абстрактному рівні.

       Абстрактний автомат як систему  задають упорядкованою сукупністю  шести об’єктів{X, Y, Z, δ, λ, z₁  }, де:

      X = {x₁ , x₂  ,…, x_m} – множина вхідних сигналів;

 Y = {y₁  , y₂  ,…, y _n } – множина вихідних сигналів;

 Z   =   {z₁ ,z₂ ,…,z _r}   – множина внутрішніх станів, які визначаються пам’яттю автомата;

       δ  –  функція переходів,  яка задає відображення множин  XZ>Z;

  λ–  функція виходів, яка задає відображенням множин X Z>Y

або Z>Y;

       z₁ – початковий стан автомата.

       Множини X,   Y,   Z    називаються алфавітами,  а їх елементи – буквами. Послідовності вхідних та вихідних букв створюють відповідно вхідні та вихідні слова.

       За способом формування вихідних  сигналів розрізняють автомати  Мура і Мілі.

Функція переходів δ показує всі можливі переходи з одного стану пам’яті z _і   він інший z _j під дією вхідних сигналів. Функція виходів λ задає всі можливі вихідні сигнали, які виробляються автоматом в дискретні моменти часу залежно від х(t) та z(t). 

 В автоматах Мура вихідні сигнали визначаються тільки станом пам’яті. У синхронних автоматах дискретний час задають генератором синхросигналів: t = 0,1,2,..., де t – номер машинного такту. На рівні абстрактної теорії функціонування автомата розглядається як перетворення вхідних букв (слів) у вихідні букви (слова).

        Абстрактний автомат можна задавати за допомогою таблиць переходів і виходів, графів, матриць з’єднань або аналітичним способом. За графічним способом описування абстрактний автомат Мура вихідні сигнали записуються з вершинами станів (рис. 2.1.).

 

 

Рис. 2.1. Фрагменти графу автомата Мура

 

Структурний синтез автомата із схемною логікою містить такі етапи:

      1) розробку мікропрограми операції та записування її на мові     мікрооперацій;

       2) побудову змістовного графу мікропрограми;

       3) побудову закодованого графу мікропрограми;

       4) розмічання з кодованого графу мікропрограми для одержання кількості станів пам’яті автомата і визначення кількості тригерів;

       5) побудову графу автомата Міллі;

 6) кодування станів пам’яті автомата;

       7) побудову структурної таблиці на основі графу автомата;

       8) записування системи рівнянь для функцій збудження тригерів і множини вихідних сигналів;

       9) побудову принципіальної схеми автомата для заданої операції.[13]

 

 

 

2.2 Побудова функціональної  схеми арифметико-логічного пристрою  віднімання

 

Алгоритм  віднімання двійкових чисел реалізується у такій послідовності:

       • у регістри RGA  і RGВ із вхідної шини один за одним паралельним кодом записуються відповідні їм операнди А і В;

       • операнд В безумовно інвертується;

       • мікрооперація віднімання виконується  в обернених кодах протягом  одного машинного такту;

       • результат записується у регістр RGC і потім пересилається в оперативну пам’ять [2]. 

        Функціональна схема восьмирозрядного АЛП2 для виконання мікропрограми віднімання містить (Додаток Д):

       • регістри RGA і RGВ для приймання із вхідної шини Ш1 операндів А і В та їх зберігання протягом часу виконання мікропрограми;

       • схему інвертування ВІN змісту регістра RGB;

       • електронні ключі SW1 іSW2 для комутації операндів;

       • схему порозрядного логічного додавання OR;

       • комбінаційний сумматор SM  з додатковим знаковим розрядом П для створення модифікованого коду.  На вхід  перенесення першого розряду сумматора подається «лог. 1»;

       • регістр результату RGC;

       • схему ознаки переповнення Р;

       • модуль керуючого блока МКБ2  на основі автомата Мілі з  пам’яттю на RS-тригерах.

       Мікропрограма  віднімання двійкових чисел у  обернених кодах має такий  вигляд:

       Початок.

             Якщо К[1], то М₁,

                        інакше – чекати

       М₁   y₁ : RGA :=   A  <приймання першого операнда>

              y2  :RGB :=  В <приймання другого операнда>

              y3  :SM := А++1   <мікрооперація віднімання в

                                                     доповняльних кодах>

                Якщо K[2] , то М₂

                Якщо K[3] , то М₃

        М₂    y6 :RGD : =   P  <присвоєння результату>

        М₃   y4 :RGF : =    <присвоєння результату>

                y7 :RGC : =  SM  <присвоєння результату>

                y5 :Ш2:=  SW  <пересилання в пам’ять>

       М₄    Кінець.

 

2.3 Структурний синтез автомата  Мілі 

 

Проектування  модуля МКБ2  на основі автомата Мілі з пам’яттю на RS-тригерах виконується в такій послідовності:

        1.  Розмічається закодований граф  мікропрограми віднімання (Додаток Б). Визначається максимальна кількість станів автомата Мілі.

        2.  На основі розміченого графу  мікропрограми будується граф  автомата Мілі, який інтерпретує  мікропрограму віднімання.

        3.  Стани автомата Мілі кодуються  значеннями виходів RS-тригерів.

        4.  На основі графу автомата Мілі  записується його структурна  таблиця переходів (табл. 2.1).

 

 

 

 

Таблиця 2.1. Структурна таблиця  переходів автомата Мілі

Стан	Код стану	Наступний стан	Код наст. стану	Вхідний набір	Вихідний набір	Сигнали збудження
z1	000	z1 z2	000 001	~B1 B1	- y1	- D1
z2	001	z3	010	1	y2	D2
z3	010	z4	011	1	y3	D2 D1
z4	011	z5 z5 z1	100 100 000	~x1 x2 ~x1 ~x2 x1	y4 y6	D3 D3 -
z5	100	z1	000	1	y5	-

 

5.  На підставі даних  табл.  2.1 записуються системи  логічних рівнянь: 

              • для вихідних сигналів:

y₁=z₁B₁

y₂=z₂

y₃=z₃

y₄=z₄₁x₂

y₅=z₅

y₆=z₄x₁

• для функцій збудження входів:

D₁=y₁ V y₃

D₂=y₂ V y₃

D₃=y₄V y₇

       

6.   Будується принципіальна схема модуля керування МКБ2(Додаток B).