Блок цілочисельний арифметики

Інформатика, програмування

Державний комітет Російської Федерації з вищої освіти

Казанський Державний Технічний Університет імені А. Н. Туполєва

---------------- -------------------------------------------------- ---------- ------------------

Кафедра електронно-обчислювальних машин

Пояснювальна записка

до курсової роботи з дисципліни

"Процесори"

Тема: Блок цілочисельний арифметики.

Студент: Базу Ю.А. , Гр. 4301

Керівник: Бікмухаметов Р.Р.

Оценка______________________

Датазащіти__________________

Підписруководітеля__________

Казань 1996

Зміст

1.
Завдання ................................................. .................... ........................... 3

2.
Алгоритм ................................................. ................... ......................... 4

2.1. Алгоритммноження ................................................. .................. 4

2.2. Алгоритмподілу ................................................. .................... .... 4

3. Операційна схема та вбудоване виконання операцій ...... 5

4. Функціональна схема операційної частини пристрою .................. 8

5. Функціональна схема керуючоїчастини .................................... 11

6. Принципова схема керуючоїчастини .................................... 13

7. Таблицямікрокоманд ................................................. ................ ..... 15

8.
Література ................................................. ................. ...................... 16

2. Алгоритм операцій

2.1. Алгоритм множення

Eдоп * Fдоп = Gдоп

Перед початком операції в RG1 = Fдоп; RG2 = 0; RG3 = Eдоп

Знаки співмножників беруть участь в операції нарівні з іншими розрядами,а це значить що Eдоп і Fдоп перемножуються як звичайні (m +1) розрядніцілі числа без знака. При цьому знак Едоп бере участь для того щоб СЧП
(сума часткових творів) в RG2 формувалася в доп. коді. Знак Fдопбере участь для того, щоб твір формувалося в подвійному форматі.

У кожному з (m +1) циклів множення здійснюються дії:
1) Eдоп додається до RG2 якщо P4 = 1;

1
2) RG2, RG1, Tзн при зсуві вправо необхідно зберігати подання
СЧП в доп. коді, а це значить що зліва потрібно вводити 0, якщо число => 0 і
1, якщо число <0.

2.2. Алгоритм ділення

Gдоп/Eдоп = Fдоп а) встановлюємо початкові значення регістрів і тригерів б) Зрушуємо ділене на 1 розряд вліво в) аналізуємо знаки Gi-1 і E. Якщо однакові то віднімаємо E з GR2.
Якщо різні то + E до RG2 г) аналізуємо знаки Gi і E, якщо однакові то цифра приватного = 1 д) аналізуємо ТФ, якщо ТФ = 1 виконуємо перевірку на ПРС 2-го етапу е) зменшуємо значення лічильника циклів ж) якщо лічильник не = 0 то переходимо на пункт б) з) передаємо приватне в RG1 и) коректуємо приватне к) видаємо приватне на вихідну шину

3. Операційна схема та вбудоване виконання операцій

Відповідно до алгоритму будуємо ОС (рис. 1), визначаємо необхіднийнабір МО і граф МП (рис. 2), вважаючи що в RG3 виконується Однотактнийспособом (по входів D тригерів RG2) за сигналом у4; в RG1 - двотактнимспособом (по входів R і S) за сигналами У6 і У7.

В ОС на Рис. 1 використані наступні позначення:
ТПП - тригер переповнення
Тпер - тригер перенесення
Тзн1 - тригер знака множимо, флагової тригер при розподілі
Тзн2 - тригер знака Gi-1
Тзн3 - тригер знака ділене
Х (8:0) - вхідна шина
Z (8:0) - вихідна шина

В МП на Рис. 2 введено 15 осведомітельних сигналу:
Р1 = RG3 (8) Р10 = Р1 Е Р3
Р2 = a Р11 = Р3 Е Р1
Р3 = RG2 (8) P12 = P6 Е Р5
Р9 = RG2 (7) Е RG2 (6) P13 = P1 Tзн2 v P1 Tзн2
P4 = 1 (CT = 0) P14 = Tпер
Р5 = RG1 (0) Р15 = Тзн1
Р6 = Р1 Tзн2 v Tзн2 Р1
Р7 = 1 (RG2 (8:0) = 0)
Р8 = Тзн3 a - вихідний сигнал що визначає вид операції

(0 - множення; 1 - розподіл)а також 17 імпульсних керуючих сигналів:у1: (RG2 = RG2 (8:0). RG1 (8); У10: ТПП = 1

RG1 = RG1 (7:0) .0) у11: RG2 = RG1y2: RG2 = RG2 + RG3 1 y12: RG2 = RG2 1y3: RG2 = RG2 + RG3 y13: Z = RG2y4: RG3 = X y14: (
RG1 = RG2 (0). RG1 (8:1);y5: (RG2 = X; Tзн1 = 1) Tзн1 = RG1 (0))y6: (RG1 = X; Tзн3 = P3; Tпп = 0; y15: RG2 = 0.RG2 (8:1)

СТ = 9; Тпер = 0;) y16: RG2 = 1.RG2 (8:1)y7: RG1 (0) = 1 y17: RG2 = 0y8: Тзн1 = 0У9: СТ = СТ-1

Z (8:0)

У13

Р15

Р5

зн RG1 1

1 Тзн1

8 7

У6у1 у14 У7

Р2

Р3 у18

Тзн2 зн 1

8 7 6 RG2

У16 У5у1 у15, У16

Р14

Тпер зн KSM у2, У12

8 7

P1 у3 у2

зн

8 7 RG3

у4

Х (8:0)

Р4 ПРС Р8

СТ ТПП Тзн3

Рис. 1.

початок

2 a

1 5 y6

6 y17

1 9

2 11 3

1 10 y3

0 0

15 0

P3 P14

1 1

1 12

0 4 y16, y14, y9 y15, y14, y9

3 1 1 2

7 0

P15

2 1 3

8 1 13 y13

0 1

12 y11

0 8

0 3

10 У13

кінець

Рис. 2.

4. Функціональна схема операційної частини пристрою

На Рис. 3. представлена функціональна схема операційної частини (ОЧ) нарегістрах і мультиплексорах. У схему з УЧ подаються 15 імпульснихкеруючих сигналів з тривалістю, що дорівнює 50 нс, причому частинакеруючих сигналів (у2, у3, У12) подаються на входи синхронізаціїрегістрів і одночасно беруть участь у формуванні сигналів наінформаційних входах тригерів за допомогою різних комбінаційних схем.
Отже, по-перше, якщо час затримки згаданих комбінаційнихсхем перевищує значення 50 нс, то схемою користуватися не можна, так як домоменту перемикання тригерів сигнали на їх інформаційних входу невстигнуть сформуватися. Наприклад, сигнал у3 повинен мати тривалість,достатню для того, щоб встигли спрацювати елементи 2,3 і4 ступенівсхеми, інакше в момент закінчення у4 в RG2 зафіксується неправильнийрезультат. Таким чином, в даній схемі тривалість сигналів МО повиннавизначатися за часом виконання найтривалішою МО, яке призаданої елементної бази перевищує задане значення.

По-друге, тому що сигнали на входах "С" і "D" тригерів RG2 привиконання у2, у3 і У12 закінчуються одночасно (без урахування затримоксигналів у комбінаційних схемах), то тригери можуть не перемкнутисянеобхідним чином через можливу "гри фронтів" на входах "С" і "D".

Для вирішення зазначених проблем з метою підвищення швидкодії інадійності схеми розіб'ємо все МО на 2 групи.

До першої групи виділимо МО у2, у3 і У12, пов'язані не тільки зперемиканням тригерів з входів синхронізації, але і з формуваннямсигналів на інформаційних входах цих тригерів.

По друге всі інші МО, для виконання яких достатні імпульснікеруючі сигнали з рівною тривалістю 50 нс. Як правило, до цієї групивходять дії, пов'язані з переключенням тригерів з асинхронним входів,або за входів синхронізації, якщо сигнали на інформаційних входахтригерів при цьому не змінюються.

Для виконання МО 1-ої групи необхідні додаткові потенційнікеруючі сигнали (сигнали з тривалістю, не меншою такту Т),звані мікропріказамі. Тоді імпульсні керуючі сигнали подаютьсялише на входи синхронізації тригерів, а формування сигналів наінформаційних входах цих тригерів здійснюється за допомогоюмікропріказов, які повинні надходити в схему раніше і закінчуватисяпізніше сигналів на входах синхронізації тригерів.

У керуючої частини з програмованої логікою мікропрікази формуються здопомогою розрядів операційного поля мікрокомани, зчитується з керуючоїпам'яті. Позначимо ці розряди і відповідні їм мікропрікази через МК (j)
, Де j = 0, 1, 2, ...

Якщо використовувати три мікропріказа, то схема Рис.3. перетвориться доувазі, представленому на Рис.4 (без ланцюгів записи з вхідної шини, безтригерів ТПП, Тзн3, лічильника циклів і ланцюга видачі на вихідну шину).
Тут: по-перше, відсутня тригер перенесення, тому що при використаннімікропріказов сигнал перенесення на виході KSM стає потенційним, інеобхідність у його запам'ятовуванні відпадає.

По-друге, сигнали у15, У16, У5 що надходять на один і той же вхідзсуву вправо RG2, замінений одним сигналом У5.

З метою спрощення ОЧ пристрої замінимо 2, 3 одиниці схеми на Рис. 4.арифметико-логічним пристроєм (АЛП). Тоді кількість мікропріказовзбільшиться до 5.

Функціональна схема ОЧ ладу, у якій застосовується АЛП,представлена на Рис. 5. Тут АЛП використовується для виконання трьохдій, що визначаються таблицею 1.

Таблиця 1.

| S3 | S2 | S1 | S0 | F `|
| 0 | 0 | 0 | 0 | A `+ C0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | A `+ B` + C0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | A `- B` - C0 |

У таблиці А `і B` - значення операндів, що надходять в АЛП, F `--значення результату, який формується на входах АЛУ; С0 - значення сигналу навході перенесення молодшого розряду АЛП.

Відповідно до таблиці 1 в схемі Рис 5. використані п'ятьмікропріказов: МК (0) - S0, MK (1) - S1, MK (2) - S2, MK (3) - C0, MK (4) --вхід даних всовуються при зсуві вправо на RG2.

Робота схеми визначається МП, представленої на Рис. 6. Списоквикористовуваних імпульсних сигналів:у1: (RG1 = /)y4: RG3 = Xy5: RG2 = RG1;y6: (RG1 = X; Tзн3 = P3; Tпп = 0;

Тзн1 = 1; СТ = 9;)y7: RG1 (0) = 1y8: Тзн1 = 0У9: СТ = СТ-1

X (8: 0)

RG3 MS KSM

0 MS D RG2 D RG1

D 0

1 <> 0

<> 0

2 D <1

D <1

3 y16 D>

y17 R 8 y7 S0 8

C y6 C

A0> y14> y4 CC П9 y5 A1 y1

1 y5

y3 1 D
Tпер у15 D Tзн2

D Tзн1y2 C

Р14 У16 1 Р2

У6 R У5 у1 З у14 С

1y12

y11

y13 E

0 ST

1 1 P4 1

3 y6 R
ТПП ПРС P3 D Tзн3 P8 ... y6 ЕI

y9 -1 y10 S y6 С

Рис. 3.

МК (2)

RG3 MS KSM

0 MS D RG2
D RG1

D 0

1 <> 0

<> 0

2 D <1

D <1

3 МК (3) D>

y17 R 8 y7 S0 8

У2 C y6 C

A0 У5> y5> y4 CC П9 y5 A1 y1

Р14

МК (0)

D Tзн2

D Tзн1

МК (1) 1

Р2

у1 З У5 З У5

Рис. 4.

RG3 S3 АЛУ

0 MS D RG2
D RG1

D MK (2) S2 F

1 <> 0

<> 0

MK (1) S1

2 D <1

D <1

MK (0) S0

3 МК (4) D>

A `

P14 y11 R 8 y7 S0 8

B `

C9 У2 C y6 C

MK (3) C0

A0 У3>y3> y4 CM y3 A1 y1

1 y3

D Tзн2

D Tзн1 Р2

у1 З у3 С

y1 1

Рис. 5.

5. Функціональна схема керуючої частини

Функціональна схема УЧ пристрою представлена на Рис. 8 і включаєнаступні основні частини: тригер запуску (Тзап), що управляє пам'ять (УП),регістр адреси МК (RGAMK), схему формування сигналів МО у1 --У12, основу якої становить дешифратор МК (DCMK), мультиплексорлогічних умов (MS) і тригер помилки (Тош), що встановлюється в 1при виявленні помилки в МК, зчитується з УП.

Виходячи з кількості вершин у графі МП на Рис. 6 і її складності,визначимо орієнтовно кількість осередків в УП, що дорівнює 3 сегментами по 16осередків у кожному. Формат МК, записуваної в комірці УП, наведено на Рис. 7.

MK Y
XvSнов A `B

0 1 2 3 4 Q1 Q2 Q3 Q4 WP к.р

Рис. 7

Тут старші 9 розрядів утворюють операційне поле МК. У перші 5розрядах кодуються горизонтальним способом мікропрікази МК (0 - 4), початок

4 a

1 2 y6

y11

1 9

0
МК (1,2), 2 11 МК (0), 2

1 10

МК (0 ), у2

0 0

15 0

P3 P14

1 1

1 12

0 4

МК (4), y3, y9 y3, y9

МК (0), 2 1 МК (1,2), 2

7 0

P15

МК (1,2), 2 1 МК (0), 2

МК (1,2), у2

5,2

8 1 13 y12

0 1

МК (3), 2 у2, У5

0 8

0 1

0 3

1 У12

кінець

Рис. 6.в наступних 4-х розрядах (Q1, Q2, Q3, Q4) кодуються вертикальним способом
МО. У них фіксується номер сукупності імпульсних керуючих сигналів
МО, що входять в дану МК. В МП на Рис. 6 входять 12 таких сукупностейсигналів. Позначимо їх як: Y1 = y2, Y2 = y6, Y3 = y1, Y4 = y7, Y5 = y8, Y6 = y9,
Y7 = (y5, y2), Y8 = y10, Y9 = y12, Y10 = y4, Y11 = y11, Y12 = (y3, y9).

Адресне поле МК включає 4-х розрядне поле Х, в якому фіксуєтьсяномер логічного умови рi (i = 1-15), і 4-х значне поле адреси МК А = А `Вде В - молодший розряд адреси.

При формуванні адреси наступної МК значення перевіряється умови рiпідставляється в молодший розряд адреси А.
Також є розряд W за яким здійснюється зупинка МП, і розрядмежсегментного переходу Р, при одиничному значенні якого виробляєтьсямежсегментний перехід, адресу нового сегменту береться в полі Х.

Останній розряд в МК є контрольним розрядом перевірки напарність.

У цілому схема на Рис. 8 працює таким чином. По сигналу "Запуск"в RGAMK фіксується початкова адреса = 0. При цьому на виходах УП ззатримкою, що дорівнює часу читання інформації з УП, формуються розряди МК,записаної за цією адресою.

Одночасно по сигналу "Запуск" Тзап встановлюється в 1, і в схему УЧпочинають циклічно надходити сигнали z1, z2. По сигналу z1 в ОЧнадходять імпульсні сигнали, що управляють, за z2 в регістр RGAMKзаписується адреса наступної комірки пам'яті.

6. Принципова схема керуючої частини

Принципова схема побудована на основі загальної шини до якої вводятьсявсі вхідні і вихідні сигнали.

Тригери Тзап, Тош і Т реалізовані на мікросхемі ТВ9, RGAMK і GRSEG намікросхемах ТМ8, MS - на КП1, схема М2 на 2-х елементах ІП5 і мікросхемі
ЛП5, схема формування імпульсних сигналів на дешифратор ІД3, УП - нап'ять елементів ПЗУ РТ4.

ош помилка

0 RG

З & S Тош

1 SEG 0 К.Р.

___

Р 1

М2 ОШ

& C

ОШ

A УП
...запуск

0 RG 0

1 J Tзап

1 AMK 1

З C

А `` 2 2 залишається K

3 3скидання

0 MS

& 1

Р1 1

R Z2

A `` ...

T &

Р15 15
&

& C &
C Z1

остан

0 0 у1

___

2 DC 1 схема у2

ОШ

4 MK ...формую. ...

8 у1 - У12

MK (4) 15 У12

MK (3)

MK (2) C

MK (1)

MK (0)

Рис. 8.

7. Таблиця мікрокоманд

| адреса | | | | | | Прим | |
| | МК | Q | WP | XvS | A `| МК | ЛУ |
| комірки | | | | | B | | |
| 00 | 0000 | 1010 | 00 | 001 | 001 | у4 | |
| 0000 | 0 | | | 0 | 0 | | Р2 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 111 | 110 | | |
| 0001 | 0 | | | 1 | 0 | | Р15 |
| | 0000 | 0010 | 00 | 000 | 010 | У6 | |
| 0010 | 0 | | | 0 | 0 | | |
| | 0000 | 0001 | 00 | 000 | 111 | у2 | |
| 0011 | 0 | | | 0 | 1 | | |
| | 0000 | 1010 | 00 | 010 | 011 | у11 | |
| 0100 | 0 | | | 1 | 0 | | Р5 |
| | 0000 | 0111 | 00 | 000 | 111 | у2, | |
| 0101 | 0 | | | 0 | 0 | У5 | |
| | 0000 | 0000 | 00 | 001 | 100 | | |
| 0110 | 0 | | | 1 | 0 | | Р3 |
| | 1000 | 0001 | 00 | 001 | 100 | МК (0), | |
| 0111 | 0 | | | 1 | 0 | у2 | Р3 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 111 | 101 | | |
| 1000 | 0 | | | 0 | 0 | | Р14 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 000 | 101 | | |
| 1001 | 0 | | | 1 | 0 | | Р1 |
| | 0000 | 1100 | 00 | 010 | 000 | у3, У9 | |
| 1010 | 0 | | | 0 | 0 | | Р4 |
| | 0000 | 1100 | 00 | 010 | 000 | МК (4), у3 | |
| 1011 | 1 | | | 0 | 0 |, У9 | Р4 |
| | 0000 | 1001 | 00 | 000 | 010 | | |
| 1100 | 0 | | | 0 | 1 | У12 | |
| | 0110 | 0001 | 00 | 000 | 110 | МК (1,2), | |
| 1101 | 0 | | | 0 | 0 | у2 | |
| | 0000 | 1001 | 10 | 000 | 000 | | |
| 1110 | 0 | | | 0 | 0 | У12 | остан |
| | | | | | | | У |
| | 0000 | 0010 | 01 | 000 | 000 | | межс.Б |
| 1111 | 0 | | | 1 | 0 | У6 | П |
| 01 | 0000 | 0000 | 00 | 100 | 001 | | |
| 0000 | 0 | | | 1 | 0 | | Р9 |
| | | | | | | | |
| 0001 | | | | | | | |
| | 0000 | 0011 | 00 | 101 | 010 | | |
| 0010 | 0 | | | 1 | 0 | у1 | Р11 |
| | 0000 | 1000 | 10 | 000 | 000 | | |
| 0011 | 0 | | | 0 | 0 | У10 | остан |
| | | | | | | | У |
| | 0110 | 0001 | 00 | 101 | 011 | МК (1,2), | |
| 0100 | 0 | | | 0 | 0 | у2 | Р10 |
| | 1000 | 0001 | 00 | 101 | 011 | МК (0), | |
| 0101 | 0 | | | 0 | 0 | у2 | Р10 |
| | 0000 | 0100 | 00 | 011 | 100 | У7 | |
| 0110 | 0 | | | 1 | 0 | | Р15 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 011 | 100 | | |
| 0111 | 0 | | | 1 | 0 | | Р15 |
| | 0000 | 0110 | 00 | 010 | 101 | У9 | |
| 1000 | 0 | | | 0 | 0 | | Р4 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 110 | 110 | | |
| 1001 | 0 | | | 0 | 0 | | Р12 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 000 | 001 | | |
| 1010 | 0 | | | 0 | 0 | | БП |
| | 0000 | 0000 | 00 | 001 | 110 | | |
| 1011 | 0 | | | 1 | 0 | | P3 |
| | 0000 | 1001 | 01 | 001 | 000 | | |
| 1100 | 0 | | | 0 | 1 | y12 | межс.Б |
| | | | | | | | П |
| | 0000 | 0000 | 00 | 000 | 111 | | |
| 1101 | 0 | | | 1 | 0 | | P1 |
| | 1000 | 0001 | 01 | 001 | 000 | | межс.Б |
| 1110 | 0 | | | 0 | 0 | МК (0), у2 | П |
| | 0110 | 0001 | 01 | 001 | 000 | МК (1,2), | межс.Б |
| 1111 | 0 | | | 0 | 0 | у2 | П |
| 10 | 0000 | 0000 | 00 | 011 | 001 | | |
| 0000 | 0 | | | 1 | 0 | | Р7 |
| | 0000 | 0111 | 00 | 100 | 100 | | |
| 0001 | 0 | | | 0 | 0 | У5, у2 | Р8 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 100 | 010 | | |
| 0010 | 0 | | | 0 | 0 | | Р8 |
| | 0000 | | 01 | 000 | 110 | у | межс.Б |
| 0011 | 0 | | | 1 | 0 | | П |
| | 0000 | 0000 | 01 | 000 | 110 | | межс.Б |
| 0100 | 0 | | | 1 | 0 | | П |
| | 0000 | 0000 | 00 | 000 | 011 | | |
| 0101 | 0 | | | 1 | 0 | | Р1 |
| | 0110 | 0001 | 01 | 000 | 110 | МК (1,2), | межс.Б |
| 0110 | 0 | | | 1 | 0 | у2 | П |
| | 1000 | 0001 | 01 | 000 | 110 | МК (0), у2 | межс.Б |
| 0111 | 0 | | | 1 | 0 | | П |
| | 0000 | 0000 | 00 | 000 | 101 | | |
| 1000 | 0 | | | 1 | 0 | | Р1 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 110 | 101 | | |
| 1001 | 0 | | | 1 | 0 | | Р13 |
| | 0000 | 0000 | 00 | 100 | 110 | | |
| 1010 | 0 | | | 0 | 0 | | Р8 |
| | 0001 | 0001 | 00 | 100 | 110 | МК (3), | |
| 1011 | 0 | | | 0 | 0 | у2 | Р8 |
| | 0000 | 1001 | 10 | 000 | 000 | У12 | |
| 1100 | 0 | | | 0 | 0 | | остан |
| | | | | | | | У |
| | 0000 | 0000 | 00 | 000 | 111 | | |
| 1101 | 0 | | | 1 | 0 | | Р1 |
| | 0000 | 1001 | 10 | 000 | 000 | У12 | остан |
| 1110 | 0 | | | 0 | 0 | | у |
| | 0000 | 0000 | 01 | 001 | 000 | | межс.Б |
| 1111 | 0 | | | 1 | 0 | | П |
| 11 | 0000 | 0000 | 00 | 001 | 001 | | |
| 0000 | 0 | | | 1 | 0 | | Р3 |
| | | | | | | | |
| 0001 | | | | | | | |
| | 0000 | 1001 | 10 | 000 | 000 | У12 | остан |
| 0010 | 0 | | | 0 | 0 | | у |
| | 0000 | 1000 | 10 | 000 | 000 | У10 | остан |
| 0011 | 0 | | | 0 | 0 | | у |

Література

1. Курс лекцій з предмету "Процесори"

2. Карцев М.А. Арифметика цифрових машин. М. "Наука" 1969

3. Шило В.Л. Популярні цифрові мікросхеми. М. "Радіо і зв'язок"

Специфікація

| № | Позначення | Кількість. | Адреса |
| 1 | К155ЛІ4 | 1 | DD1 |
| 2 | К155ЛІ6 | 1 | DD2 |
| 3 | К155ЛЛ1 | 1 | DD3 |
| 4 | К155ТВ9 | 2 | DD4, DD5 |
| 5 | К155ТМ8 | 2 | DD6, DD7 |
| 6 | К556РТ4 | 5 | DD8 - DD12 |
| 7 | К155ІП5 | 2 | DD13, DD14 |
| 8 | К155ЛП5 | 1 | DD15 |
| 9 | К155КП1 | 1 | DD16 |
| 10 | К155ЛІ1 | 1 | DD17 |
| 11 | К155ІД3 | 1 | DD18 |
| 12 | К155ЛН1 | 2 | DD19, DD20 |