Выполнение микроопераций в регистрах. Лабораторная работа № 3

1.

https://vk.com/acs20
Лабораторная работа № 3
Выполнение микроопераций в
регистрах

2.

1
Операционное устройство. Принцип
микропрограммного управления
ЭВМ – совокупность взаимосвязанных
операционных устройств (ОУ).
Процессор, АЛУ, контроллеры внешних
устройств – все это ОУ.
А если n=32 или 64 ? – ЭВМ обрабатывает
многоразрядные слова!
Таблица переходов
четырехразрядного
счетчика содержит
2n =24=16 строк

3.

Принцип микропрограммного
управления
Каждая сложная операция обработки данных
(например, подсчет числа единиц в слове А)
реализуется как микропрограмма.
Микропрограмма это последовательность
элементарных операций. Каждая i-ая
элементарная операция инициируется
соответствующим сигналом yi и выполняется ОА
за один такт.

4.

Начало
y0 А(1:n):=T(1:n)
y1 C(1:m):=00...0
x1
A(1:n)=00...0
0
1
A1
y2 C(1:m):=C(1:m)+1
Y2
y3 А(1:n):=A(2:n).0
Конец
m = log2 n
Y1
1
x2
0
y3 А(1:n):=A(2:n).0 Y3

5.

ОУ строится как совокупность операционного
автомата (ОА) и управляющего автомата (УА)
хj {0,1};
yi {0,1};
УА инициирует
выполнение
микроопераций в
ОА, вырабатывая
управляющие
сигналы yi .
Микропрограммы
(алгоритмы).
Конкретная МП
выбирается сигналом
из множества F
УА анализирует
осведомительные
сигналы xi для
осуществления
разветвлений в
микропрограмме
2
ОА выполняет
микрооперации (yi)
над входными
словами А с
получением
результата В
Операционные
элементы:
сдвиговые
регистры,
счетчики,
сумматоры,
шины,
комбинационные
схемы.
ОА вырабатывает
осведомительные
сигналы о
результатах
микроопераций (xi)

6.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является изучение принципов структурной и функциональной
организации регистров, методов выполнения микроопераций сброса, установки кода,
приема кода и сдвига, а также формирования осведомительных сигналов.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Задание
предусматривает
проектирование
трехразрядного
регистра,
выполняющего микрооперации сброса, установки кода, приема кода с регистра
переключателей, микрооперацию сдвига, а также синтез схем формирования
осведомительных сигналов, отражающих состояние регистра. Разработанная схема
должна быть собрана и отлажена на макете L-T. Вариант задания представлен в
таблице 2.1.

7.

3. МОДЕЛЬ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ОПЕРАЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТА (ОЭ)
x1 x2
Типовой разряд
регистра
T1
T2
ОЭ (регистр)
T3
A1
R
A2
D
A3
C
T
Q
Q
S
y0 y1 y2 y3
Список микроопераций, выполняемых ОЭ:
y0: A(1:3) := 000 (сброс);
y1: A(1:3) := 001 (установка кода – 2 такта);
y2: A(1:3) := T(1:3) (прием кода – 2 такта);
y3: A(1:3) := A(2:3).A1 (сдвиг влево циклич. на 1 разряд).
Осведомительные сигналы
x1 = (A(1:3) = 001);
x2 = (A(1:3) ≤ 101).
A1 A2 A3

8.

Варианты микрооперации сдвига
Логический влево (L, L)
Циклический влево (C, L)
A1 A2 A3
A1 A2 A3
0
y3: A(1:3) := A(2:3).A1
y3: A(1:3) := A(2:3).0
Циклический вправо (C, R)
Логический вправо (L, R)
A1 A2 A3
A1 A2 A 3
0
y3: A(1:3) := A3.A(1:2)
y3: A(1:3) := 0.A(1:2)

9.

4. РАЗРАБОТКА ТЕСТОВ ДЛЯ ПРОВЕРКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СХЕМЫ
R
Таких (типовых) разрядов для трехразрядного регистра нужно три
Q
D
C
Таблица состояний операционного элемента (регистра)
Входы триггеров должны зависеть от управляющих сигналов yi
T
Q
S
1 такт
(подготов.)
2 такт
(основной)
y
R1 R2 R32 S1 S2 S3 D1 D2 D3 C1 C2 C3 A1 A2 A3 A1 A21 A3 x1 x2
y0
1 1
1 1
y1
x
x
x x x x x
x
0 0
x x
x
x x
0
0
x
1
1
y2 T1 T2 T3 T1 T2 T3 x
y3
x 0
x x x x x
A2 A3 A1
При разработке устройств
вычислительной техники
рассматриваются два критерия
эффективности, противоречащих
друг другу: стоимость (аппаратная
сложность) и быстродействие.
Для упрощения функций возбуждения
R-входов, микрооперации установки и
приема кода выполняются за 2 такта.
0 0
0
1
0
0
0 1
0 1
1 1
0 T1 T2 T3 f(A) f(A)
0 1 0 1 0 f(A) f(A)
0 1 0 1 0 0
1 0 0 0 0 1
Установка:
1 такт – y0 (сброс: Ri = 1);
2 такт – у1 (установка единиц: S3=1).
Прием:
1 такт – y0 (сброс: Ri = 1);
2 такт – у2 (прием единиц: Si=Ti).

10.

Вопрос: «Зачем использовать RS-входы триггера, ведь операции установки и
приема кода можно делать и по D-входам?»
Ответ: «Чтобы разгрузить D-входы (сделать функции возбуждения D-входов
проще)».
Вопрос: «Почему микрооперации установки и приема кода можно сделать по
RS-входам (они асинхронные), а операцию сдвига нужно делать обязательно
на синхронном триггере (здесь – D-триггере)?»
Ответ: «В микрооперациях установки и приема кода триггеры (разряды)
регистра являются только приемниками информации (принимают сигналы
извне). В операции сдвига в одном и том же такте каждый триггер является и
источником и приемником информации (бит передается с триггера на триггер).
За 1 такт должен осуществиться 1 сдвиг. Чтобы отсчитать 1 такт (1 сдвиг) и
нужен синхронный триггер.
A1 A2 A 3
Исходное состояние
0
0
1
1 такт
0
1
0
2 такт
1
0
0
3 такт
0
0
1

11.

5. РАЗРАБОТКА И МАКЕТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
СХЕМЫ ОЭ
Построение функций возбуждения входов триггеров и функций для
вычисления осведомительных сигналов.
Для однотактной установки функции возбуждения R-входов были
бы достаточно сложными:
R1 y0 y1 y2 T1 ;
R2 y0 y1 y2 T2 ;
3
1 такт
2 такт
2 такт
R3 y0 y2 T3 ;
Функции инвертируются, т.к. R-входы в
используемом триггере являются
инверсными.
Из-за сложности функций не хватит
проводов на макете! Критический ресурс –
аппаратная сложность (стоимость) схемы.
Пришлось пожертвовать временем!
Операции приема и установки кода
будут двухтактными.
R1 R2 R3 y0
Функции возбуждения R-входов
теперь зависят только от y0 !

12.

R1 R2 R3 y0
Сложность функций возбуждения S-входов не зависит от числа тактов установки.
S1 y2T1 ;
3
S 2 y2T2 ;
S3 y1 y2T3 ;
R
D1 A2 ;
Q
D
D2 A3 ;
C
1
Q
S
D3 A1 ;
C1 C2 C3 у3с
T
y3г ;
Для сокращения числа проводов в
схеме будем считать, что
г
управляющий сигнал y3
снимается с выхода генератора
синхроимпульсов.

13.

По заданию с выходов операционного элемента (регистра) должны сниматься
осведомительные сигналы xj (т.е. сигналы, осведомляющие о состоянии
регистра после выполнения микрооперации):
x1 = (A(1:3) = 001);
x2 = (A(1:3) ≤ 101).
Функции для вычисления осведомительных сигналов:
x1 A1 A2 A3 ;
A2
A1
A1 A2 A1 A2
x2
A1 A2
A3
Функцию
x2 A1 A2
можно получить интуитивно (не строя матрицу), если
учесть, что под условие x1 = (A(1:3) ≤ 101) не подходят наборы 110 и 111, у
которых A1=1 и A2=1.

14.

Схема регистра, построенная
в соответствии с
полученными функциями.
R1 R2 R3 y0
S1 y2T1 ;
Logic
1
2
3
S 2 y2T2 ;
S3 y1 y2T3 ;
D1 A2 ;
D2 A3 ;
D3 A1 ;
C1 C2 C3 у3с y3г ;
x1 A1 A2 A3 ;
x2 A1 A2
Использовали 16
проводов из 18.
2 y2
3 T1
4
&
S1
10
5
6
y2
2
7 T2
&
S2
11
7
10
2 y2
8
4 T3
8
&
9
1 y1
1
8
1
y1
S3 12
2
y2
3
T1
1 y0
8 A2
г
2 y3
10 S1
1 y0
5 A3
г
2 y3
11 S2
1
11
3
2
12
12
7
T2
Управляющие сигналы подаются на входы ОЭ (регистра) для
инициирования выполнения микроопераций (МО).
Осведомительные сигналы снимаются с выходов ОЭ
(регистра) и характеризуют его состояние после выполнения
микроопераций.
y0
A1
y3г
S3
Trigger
R
T
1
D
C
S
1
R
T
A1
3
8
A1
A2
A1
7 2
A2
8
A2
9
A3
5 8
C
S
2
R
T
D
4
T3
7
9
C
A3
3
&
x1
&
x2
A3
A2
3
D
S
7
9
5
3
A1
1
y0
2
y3г

15.

В рассмотренном примере
мы построили простой
операционный автомат,
который умеет выполнять
микрооперации сброса,
установки и приема кода,
циклического сдвига на 1
разряд влево.
Роль управляющего
автомата на лабораторной
работе выполняет студент
при тестировании схемы
операционного автомата
(подает в схему
управляющие сигналы и
анализирует
осведомительные
сигналы).

16.

6. ТЕСТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ОЭ (РЕГИСТРА)
Временные диаграммы работы регистра
С
t
y0
t
y1
t
y3
t
A1
t
A2
t
A3
t
у3с
г
y3 ;

17.

Далее в этом пункте (шестом) описать, какие проблемы
и неисправности возникли при наладке схемы на
макете, их причины, и каким образом они были
устранены.
ВЫВОД
Вывод по лабораторной работе
должен констатировать, что достигнуты
все цели работы (перечисляются), и
выполнены все поставленные задачи
(перечисляются).