Файл: Проектирование цифрового арифметикологического устройства на интегральных микросхемах.doc

В микропроцессорах используют два метода выработки совокупности функциональных управляющих сигналов: программный и микропрограммный.

Выполнение операций в машине сводится к элементарным преобразованиям информации (передача информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка условий и т. д.) в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств) управления. Элементарные преобразования, неразложимые на более простые, выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации и называются микро-операциями. В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операции соответствует свой набор логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты времени. При этом способе построения устройства управления реализация микроопераций достигается за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому ЭВМ с аппаратным устройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления.

Это понятие относится к фиксации системы команд в структуре связей ЭВМ и означает практическую невозможность каких-либо изменений в системе команд ЭВМ после ее изготовления. При микропрограммной реализации устройства управления в состав последнего вводится запоминающее устройство (ЗУ), каждый разряд выходного когда которого определяет появление определенного функционального сигнала управления. Поэтому каждой микрооперации ставится в соответствие свой код — микрокоманда. Набор микрокоманд называют микропрограммами.

Способ управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ, а также использования кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов называют микропрограммным, а компьютер с таким способом управления — микропрограммными или с хранимой (гибкой) логикой управления.

К микропрограммам предъявляют требования функциональной полноты и минимальности. Первое требование необходимо для обеспечения возможности

разработки микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемого оборудования. Учет фактора быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку усложнение последних позволяет сократить время выполнения команд программы. Преобразование информации выполняется в универсальном арифметико- логическом блоке микропроцессора. Он обычно строится на основе комбинационных логических схем. Для ускорения выполнения определенных операций дополнительно в этот блок вводятся специальные операционные узлы (например, циклические сдвигатели). Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся специализированные оперативные блоки арифметических расширителей. Операционные возможности микропроцессора можно расширить за счет увеличения числа регистров. Если в регистровом буфере закрепление функций регистров отсутствует, то их можно использовать как для хранения данных, так и для хранения адресов. Подобные регистры микропроцессора называются регистрами общего назначения (РОН). По мере развития технологии реально осуществлено изготовление в микропроцессоре 16, 32 и более регистров.

В целом же, принцип микропрограммного управления (ПМУ) включает следующие позиции:

любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью элементарных действий — микроопераций;
для управления порядком следования микроопераций используются логи- ческие условия;
процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий, называемого микропрограммой;
микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются структура и порядок функционирования устройства во времени.

ПМУ обеспечивает гибкость микропроцессорной системы и позволяет осуществлять проблемную ориентацию микро- и мини-ЭВМ. Если уровень только программной "настройки" микропроцессоров не позволит получить эффективную систему, доступен следующий уровень проектирования — микропрограммный. За счет изменения содержимого ПЗУ или программируемой логической матрицы (ПЛМ) можно "настроиться" на более специфичные черты системы обработки информации. В этом случае частично за счет изменения микропрограмм затрагивается аппаратный уровень системы. Решение задач управления в конкретной системе чисто аппаратными средствами (аппаратная логика) дает выигрыш в быстродействии, однако приводит к сложностям при модификации системы. Микропроцессорное решение (программная логика) является более медленным, но более гибким решением, позволяющим развивать и модифицировать систему. Изменение технических требований к информационно-управляющей микропроцессорной системе ведет лишь к необходимости перепрограммирования работы микропроцессора.

Именно это качество обеспечивает высокую логическую гибкость микропроцессоров, определяет возможность их широкого использования, а значит, и крупносерийного производства.

Специальная часть

Задание

Спроектировать цифровое устройство для выполнения следующих операций (Вариант 15):

Арифметическая операция
- Умножение
Логическая операция

Требуемые параметры устройства:

Разрядность операндов
- 32
Кодировка
- Десятичная
Принцип управления
- микропрограммный
Быстродействие
- 300 нс
Мощность
- 3000 мВт

Обоснование выбора технологии

При проектировании вычислительного устройства необходимо учесть ограничение в 300 нс на задержку распространения сигнала и 300 мВт на потребляемую мощность. Схема умножения над 32-разрядными операндами будет использовать достаточно много логических схем, и, для того, чтобы уложиться в заданную мощность, решено использовать микросхемы, построенные по КМОП технологии, а именно отечественные микросхемы серии КР 1564.

Описание разработанного устройства

Разработанное устройство в соответствии с заданием выполняет две операции – арифметическую (умножение) и логическую (Инверсия ИЛИ). Имея 32-разрядные операнды, мы можем производить вышеописанные операции над беззнаковыми числами от 0 до 2³², представленные в десятичной системе счисления.

Для управления устройством используются следующие клавиши:

Клавиши ввода десятичных цифр и чисел от 0 до 9
Функциональные клавиши
- Клавиша “Умножение”
- Клавиша “ ”
- Клавиша “Равно”
- Клавиша “Сброс”

Для отображения чисел, используются светодиодные семисегментные индикаторы. Ввод и вывод чисел на них производится в десятичной форме записи чисел.

Для возможности ввода пользователем 32-разрядных чисел в границах от 0 до 2³², потребуется 16 семисегментных индикаторов. По 8 индикаторов на каждый из двух операндов.

Для вывода посчитанного результата, также потребуется 8 семисегментных индикаторов.

Введенные числа записываются в 8 разрядные регистры, соединенные таким образом, чтобы после ввода каждой последующей цифры, введенные ранее цифры сдвигались на одну влево, а цифра, оказавшаяся в последних наиболее значащих 4х разрядах “сваливалась”. Для 32-х разрядных чисел требуется использовать по 4 восьмиразрядных регистра для каждого из двух операндов.

После того, как будет введено первое число и нажата кнопка выбора операции (умножение или

), произойдет переключение на второй регистр, для записи второго операнда, а также в элементах памяти, основанных на RS триггерах, защелкнется информация о выбранной арифметической или логической операции. Когда пользователь закончит ввод второго числа, то для получения результата, выполненной операции требуется нажать клавишу равно. При нажатии этой клавиши, включатся входные буферы, через которые данные с регистров направляются по общей шине на блоки арифметической и логической операции. Так как выходная шина у блоков общая, то для определения какой же блок нужно включить используется сигнал, сохраненный в RS триггере, который как раз и определяет состояние каждого из блоков. Включение и выключение блоков осуществляется через выходные буферы, с которых данные направляются на семисегментные индикаторы вывода.

Для сброса содержимого регистров и триггеров используется клавиша сброса, после нажатия на которую, пользователь может вновь начать вводить числа и выполнять выбранную операцию. Т.е. перезагрузка схемы не требуется.

Разработка схем арифметико-логических операций и блоков преобразования кодов.

Проектирование цифрового устройства осуществлялось в пакете для автоматизированного проектирования Proteus. Для удобства, все реализованные в данной программе схемы, были помещены в специально- созданные блоки для наглядности и удобства восприятия общей схемы.