Разработка архитектуры специализированного микрокомпьютера

Министерство  образования Республики Беларусь 

Учреждение  образования

Белорусский Государственный  Университет 
Информатики и Радиоэлектроники 

Факультет компьютерных систем и сетей 

Кафедра электронных вычислительных машин

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовому  проекту 

на тему:

 СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ КОМПЬЮТЕР 
 
 
 
 
 
 
 
 

Студент        А. О. Барановский 

Руководитель                      И. П. Кобяк 
 
 
 
 
 
 
 
 

МИНСК 2011

 

     СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 3

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 4

1 РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО МИКРОКОМПЬЮТЕРА 5

1.1 Анализ известных реализаций спецкомпьютеров, критика аналогов проектируемой системы, формулирование требований  к  разрабатываемому микрокомпьютеру 5

1.2 Проектирование алгоритмов, выбор состава макроопераций и программирование задач 6

1.3 Проектирование системы команд 12

1.4 Разработка обобщенной структуры микроЭВМ на основе системы команд 18

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СТРУКТУРНЫХ КОМПОНЕНТОВ СХЕМЫ МИКРОКОМПЬЮТЕРА 22

2.1 Разработка схемы блока обработки данных 22

2.2 Проектирование ЗУ  микрокомпьютера 24

2.3 Разработка устройства управления 26

2.4 Разработка системы ввода-вывода данных 29

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ИНТЕРФЕЙСА МИКРОКОМПЬЮТЕРА 33

3.1 Включение системы прерываний в схему устройства управления спецкомпьютера 33

3.2 Проектирование системы ПДП 34

4 РАЗРАБОТКА МИКРОПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 36

4.1 Формат микрокоманды. Микропрограммная интерпретация команд языка компьютера 36

4.2 Разработка служебного микропрограммного обеспечения 38

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 41

ПРИЛОЖЕНИЕ  А 42

ПРИЛОЖЕНИЕ  Б 43 

 

     

     ВВЕДЕНИЕ 

     В последние десятилетия наблюдается  чрезвычайно быстрый рост производства средств вычислительной техники, проникающей во все области человеческой деятельности – от космических исследований и производственной сферы до медицины  и повседневного быта – в виде автоматизированных и автоматических систем сбора и обработки информации, управления и контроля.

     Основной  причиной качественно нового этапа  развития вычислительной техники послужило  появление и широкое внедрение  микропроцессорных комплектов интегральных микросхем. Они позволили решить, казалось бы, несовместимые задачи: с одной стороны, резко увеличить  скорость обработки информации и  объём памяти, с другой – столь  же резко уменьшить размеры ЭВМ, их стоимость и энергопотребление.

     Вторая  причина связана с тем, что  средства вычислительной техники стали использовать для сбора, преобразования и хранения информации (справочной, результатов экспериментальных исследований, проектной документации, обучающих программ и т.д.). ЭВМ становились всё более и более универсальными.

     Однако  не всегда требовались такая универсальность. Всё чаще ЭВМ начинают применять  для управления периферийными устройствами, в бытовых электроприборах, в  измерительной технике, в бортовых системах контроля и управления. К  ЭВМ такого рода предъявляются особые требования: повышенное быстродействие, компактность, высокая надёжность. Достижение высоких показателей  по этим параметрам возможно благодаря  отказу от универсальности. В связи  с этим огромную актуальность приобрели  компактные, специализированные, легко  встраиваемые микропроцессорные устройства.

     Вообще, решение любой задачи с помощью  вычислительной техники возможно двумя  способами: программирование универсальной  ЭВМ и разработка специализированной. Второй способ дороже и медленнее, но даёт более качественное решение.

     Для упрощения разработки специализированных ЭВМ существует и постоянно совершенствуется специфическая элементная база.

     Одной из реализаций такой элементной базы является комплект БИС К1804. В данной работе рассмотрен проект специализированной ЭВМ, построенной на данном комплекте.

 

     ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 

   

• Разрядность данных 28 бит.
• Представление данных в ЭВМ: дополнительный код.
• Способы адресации операндов: прямая, косвенная регистровая, автоинкрементная, базово-индексная.
• Емкость ОЗУ 2256 кб.
• Тип интегральной схемы ОЗУ: 565РУ7.
• Микропроцессорный БИС блока обработки данных: 1804ВС2.
• БИС ПЗУ микрокоманд: 556РТ14.
• БИС блока микропрограммного управления: 1804ВУ4.
• Порты ввода-вывода: 1804ИР3 12/6.
• Система прерываний: (уровень/источник)  2/12-15.
• Канал ПДП (длина блока передаваемых данных): 1024 слова.
• Программное обеспечение: арифметическая операция ln(x_i), где x_i=(a_i+b_i)², тест ОЗУ «Последовательная запись и считывание».

 

     1 РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО МИКРОКОМПЬЮТЕРА 

     1.1 Анализ известных реализаций спецкомпьютеров, критика аналогов проектируемой системы, формулирование требований  к  разрабатываемому микрокомпьютеру 

     В период развития и становления вычислительной техники появилось много моделей  представления  компьютера, но наиболее распространённой является трёхшинная модель. Её структуру можно представить рис. 1.1: 

          

     Рисунок 1.1 – Структура трёхшинной модели 

     Опишем  назначение блоков:

     Устройство  управления (УУ). Предназначено для управления всеми блоками компьютера путем посылки сигналов предписывающие те или иные действия. УУ используется для автоматической работы компьютера и указывает на:

• функцию выполнения АЛУ
• источники информации для АЛУ
• приемники результатов полученных в ходе вычислений.

     Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Предназначено для выполнения арифметических и логических операций представленных в формате с плавающей запятой или фиксированной запятой. Кроме данных АЛУ может обрабатывать адресную информацию (формирование исполнительного адреса), команды (преобразование форматов), признаки (выход переноса, признак нулевого результата, переполнение, знаковый разряд и т.д.).

     Оперативная память (ОП). Предназначена для хранения информации поступающей в компьютер из вне. Этот блок также предназначены для хранения программ, результатов промежуточных расчетов  и другой машинной информации. ОП состоит из ячеек, в каждой из которых хранится машинное слово. Основными характеристиками ОП является емкость памяти и время обращения. Под временем обращения понимается длительность цикла записи или чтения операнда из любой ячейки ЗУ.

     Устройства  ввода/вывода (УВВ). Предназначены для связи компьютера с внешними периферийными устройствами. Устройство ввода обеспечивает считывание информации с внешних носителей и представление ее в форме электрических сигналов. Устройство вывода преобразует кодовую информацию, поступающую из памяти или других блоков машины, в форму, необходимую для обмена с внешней средой.

     Кроме основных вышеперечисленных блоков в состав компьютера может входить  система прямого доступа к памяти (ПДП) и система прерываний.

     Система ПДП позволяет осуществить непосредственный обмен данными между памятью и периферийными устройствами под управлением контроллера ПДП без участия АЛУ, что позволяет повышать скорость выполнения обмена.

     Система прерываний предназначена для прерывания программы пользователя, если возникло прерывание от внешних устройств, либо внутреннее прерывание. Например, при работе с внешними устройствами необходима работа с УВВ, обладающие небольшим быстродействием. Поэтому для синхронизации их с компьютером используется контроллер прерываний, выдающий соответствующие сигналы в УУ, когда УВВ готово к работе. При этом выполнение текущей операции спецкомпьютера приостанавливается и запускается программа обработки информации от УВВ. После завершения данной программы, выполнение прерванной операция возобновляется.

     В рамках данного курсового проекта, при разработке спецкомпьютера предполагается использование вышеприведённой  модели. В качестве базовых микросхем  используются микросхемы серии К1804.

       Проектируемый спецкомпьютер должен  использовать разрядность данных  равную 28 бит. Данные будут представляться в форме с плавающей запятой в дополнительном коде. Также спецкомпьютер будет содержать систему памяти для хранения информации, поддерживать ввод/вывод данных, использовать систему прерываний и систему прямого доступа к памяти. 

     1.2 Проектирование алгоритмов, выбор состава макроопераций и программирование задач 

     Необходимо  разработать алгоритм и написать программу для выполнения арифметической операции ln(x_i), где x_i=(a_i+b_i)².

     Для этого на первом этапе следует  построить график заданной функции, определить ее максимальное и минимальное  значения, а также область определения  аргумента. График функции представлен  на рисунке 1.2 В нашем примере диапазон изменения аргумента лежит в пределах 0≤х≤2, поэтому a_i<1 и b_i<1 (см. таблицу 1.1). При этом граничные значения функции будут равны:  

     -∞ ≤ y(х_i) ≤ 0.69. 

     

     Рис. 1.2 – График функции ln(x) 

     Таблица 1.1 – Значения функции ln(x)

x	ln(x)	x	ln(x)	x	ln(x)	x	ln(x)
0,1	-2,3	0,6	-0,5108	1,1	0,09531	1,6	0,470004
0,2	-1,609	0,7	-0,3567	1,2	0,182322	1,7	0,530628
0,3	-1,204	0,8	-0,223	1,3	0,262364	1,8	0,587787
0,4	-0,916	0,9	-0,105	1,4	0,336472	1,9	0,641854
0,5	-0,693	1	0	1,5	0,405465	2	0,693147