Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Севастопольский национальный технический университет

ОПЕРАЦИОННЫЕ ЗЛЕМЕНТЫ

Методические указания

к циклу лабораторных работ

по дисциплине "Архитектура компьютеров"

для студентов направления

6.050102 – «Компьютерная инженерия»

дневной и заочной форм обучения

Севастополь

2012

Операционные элементы: Методические указания к циклу лабораторных работ

по дисциплине "Архитектура компьютеров" для студентов направления 6.050102 – «Компьютерная инженерия» дневной и заочной форм обучения / Состав. Т.В.Волкова., Ю.К. Апраксин. - Сева­стополь: Изд-во СевНТУ, 2012. - ___ с.

Методические указания преследуют цель облегчить выполнение лабораторных работ, включенных в цикл "Операционные элементы", углубить знания студентов в области проектирования операционных автоматов и составляющих их элементов, помочь обрести необходимые навыки сборки и наладки дискретных вычислительных и управляющих устройств. Методические указания к каждой лабораторной работе содержат четкую постановку задачи, варианты заданий, методические рекомендации к домашней подготовке к лабораторной работе, последовательность ее выполнения на лабораторном макете и содержание отчета. Приводится описание лабораторных макетов и справочные данные о наиболее употребительных из используемых в лабораторных работах интегральных схемах.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры КиВТ (протокол № ___ от _________ 2012 г.)

Допущено учебно-методическим центром и научно-методическим советом СевНТУ в качестве методических указаний

Рецензент: д-р техн. наук, профессор кафедры Технической кибернетики Е.А.Шушляпин.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

1. Общие сведения 4

2. Лабораторная работа №1. Синтез комбинационных и

триггерных схем 5

3. Лабораторная работа №2. Выполнение микроопераций

в регистрах 7

4. Лабораторная работа №3. Комбинационные двоичные

счетчики 10

5. Лабораторная работа №4. Накапливающие двоичные

счетчики 13

6. Лабораторная работа №5. Схемы сравнения кодов 15

7. Лабораторная работа №6. Дешифраторы и мультиплексоры

и их использование для организации передач в системе

регистров 17

8. Лабораторная работа №7. Распределители сигналов 20

9. Лабораторная работа №8. Двоичные сумматоры 23

10. Лабораторная установка «Logic-Trigger» 25

Библиографический список 29

1. Общие сведения

Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Архитектура компьютеров».

Назначение компьютера – обработка входных данных в соответствии с программой, заданной пользователем, с целью получения выходных данных. Архитектура вычислительной системы (ВС) должна точно определять интерфейс (способ взаимодействия) между программой и аппаратурой ВС.

Архитектура ЭВМ – совокупность свойств и характеристик ЭВМ, рассматриваемых с точки зрения пользователя. Важнейшие архитектурные решения, положенные в основу создания ЭВМ в целом и ее отдельных узлов, задают принцип работы вычислительной системы на функциональном уровне безотносительно физической реализации. Примером классических архитектурных решений может служить

• выделение в составе ЭВМ центрального управляющего устройства (процессора), оперативной памяти и других операционных устройств со своими специфическими функциями,

• интерфейс системной шины для организации взаимодействия между процессором, оперативной памятью, постоянной памятью, периферийными устройствами ЭВМ,

• средства организации мультипрограммного режима работы, средства защиты памяти, система прерываний и т.п.

Как было сказано выше, современная вычислительная машина состоит из совокупности операционных устройств, взаимодействующих друг с другом.

Под операционным устройством понимается устройство, выполняющее множество операций F над входными словами A с целью получения результата B (рисунок 1).

Заметим, что входные и выходные слова могут быть многоразрядными. В связи с этим применение теории конечных автоматов к синтезу ОУ затрудняется. Например, для синтеза ОУ, выполняющего всего одну операцию C(1:4):=C(1:4)+1 (четырехразрядного двоичного накапливающего счетчика), необходимо построить таблицу переходов автомата, содержащую 2⁴ =16 строк. Для 32-разрядного счетчика таблица переходов будет иметь 2³² строк. Если же ОУ выполняет несколько операций, то размер таблицы переходов будет еще большим, а сама таблица бесполезной для реализации.

У читывая вышесказанное, к синтезу ОУ применяется другой подход. ОУ рассматривается как совокупность двух взаимосвязанных устройств – операционного автомата (ОА) и управляющего автомата (УА) (рисунок 2) [1,2] .

ОА состоит из операционных элементов (ОЭ): двоичных сумматоров, счетчиков, сдвиговых регистров и.т.п., и предназначен для преобразования информации под воздействием управляющих сигналов {y_i}, формируемых УА. ОА может сообщить УА о своем состоянии после выполнения того или иного действия осведомительными сигналами {x_j}.

У А осуществляет управление преобразо­ванием данных в ОА в соответствии с прин­ципом микропрограммного управления, осно­вополагающим принципом проектирования узлов вычислительной техники.

Принцип микропрограммного управле­ния состоит в следующем: каждая сложная операция обработки данных (например, умно­жение двоичных чисел с фиксированной точ­кой) реализуется как микропрограмма.

Микропрограмма - это последователь­ность элементарных операций. Каждая i-ая элементарная операция инициируется соот­ветствующим сигналом y_i и выполняется ОА за один такт. Под тактом понимается время между двумя синхроимпульсами, синхронизирующими работу ОУ. Элементар­ные операции называются микрооперациями. Сигналы y_i вырабатываются УА и называются управляющими сигналами или сигналами микроопераций.

Примеры микроопераций:

y1: P(1:n):=Q(1:n) - присвоение n-разрядному регистру P значения, хранящегося на n-разрядном регистре Q,

у2: С(1:k):= С(1:k)-1 - декрементирование содержимого k-разрядного счетчика C,

y3: P(1:n):= P(2:n).0 - сдвиг слова в регистре P на один разряд влево с доопределением освобождающегося правого разряда нулем.

Осведомительные сигналы x_j вырабатываются ОА и характеризуют промежуточные результаты выполнения микропрограммы. Значение сигнала

x_{j Î}{0,1}.

Примеры осведомительных сигналов:

x1= (P(1:n)=0) – сигнал х1=1, когда значение регистра P равно нулю, в противном случае х1=0 (для реализации сигнала х1 необходимо построить комбинационную схему, реализующую булеву функцию , где рi – выход i-го разряда регистра P),

x2 = p1 - осведомительный сигнал х2 снимается непосредственно с первого разряда регистра Р и равен значению этого разряда,

x3 = (Р(1:n)³Q(1:n)) – сигнал х3=1, когда двоичный код в регистре Р больше двоичного кода в регистре Q (такой осведомительный сигнал может быть реализован схемой сравнения кодов на больше, принципы построения цифровых компараторов (схем сравнения) рассмотрены ниже).

УА проверяет значение осведомительного сигнала х_j после выполнения некоторой микрооперации и выдает в ответ на нулевое значение одну последовательность сигналов y_i , а в ответ на единичное значение – другую. Таким образом, осуществляются разветвления в микропрограмме.

Разделив ОУ на УА и ОА, разработчики сосредоточили все множество алгоритмов обработки данных в УА, а операционные элементы, непосредственно выполняющие обработку данных в операционном автомате.

Принципы построения УА, реализующих заданную микропрограмму в шестом семестре.

Операционный автомат проектируется из типовых операционных элементов выбранной серии (триггеров, регистров, счетчиков, сумматоров, дешифраторов, мультиплексоров). При этом для обеспечения требуемой разрядности берется несколько одинаковых устройств (например, 24-разрядный счетчик можно собрать из шести включенных последовательно четырехразрядных счетчиков).

Если в справочнике отсутствует типовое решение для операционного элемента, например, нет счетчика, выполняющего дополнительно операцию сдвига, то операционный элемент может быть спроектирован одним из следующих способов:

1. комбинированием из существующих типовых операционных элементов;

2. синтезом схемы типового (i-го) разряда операционного элемента методами булевой алгебры и прикладной теории цифровых автоматов (ПТЦА) и обеспечением требуемой разрядности за счет дублирования схемы типового разряда (например, проектирование одного разряда счетчика методами ПТЦА - гораздо более простая операция, чем проектирование 32-разрядного счетчика).

Лабораторные работы преследуют цели изучения типовых схемных решений и приобретения навыков проектирования операционных элементов, изучения наиболее употребительных интегральных цифровых микросхем, а также приобретение опыта наладки и исследования схем дискретных устройств. Выполнение каждой лабораторной работы предусматривает внеаудиторную подготовку, выполнение работы в лаборатории и написание отчета. Для облегчения подготовки к лабораторной работе методические указания содержат ссылки на соответствующие литературные источники с указанием разделов, которые необходимо изучить перед выполнением лабораторной работы. После изучения (повторения) теоретического материала необходимо разработать схемы принципиальные электрические устройства в соответствии с индивидуальным заданием. Без такой подготовки студент к лабораторной работе не допускается.

В приложении для каждой лабораторной работе приводится последовательность разработки и принципиальная схема (типовая) для проектируемого операционного элемента. Студент, прежде чем приступить к разработке индивидуального задания, должен детально проанализировать предлагаемую схему.

В лаборатории необходимо собрать и отладить схемы на установке «Logic- Trigger». Описание установки приведено в разделе 10. Собирать схему необходимо при отключенном питании. Включать питание установки можно только с разрешения преподавателя, ведущего занятия. После наладки и исследования устройства необходимо продемонстрировать его работу преподавателю. При работе с установкой следует соблюдать правила техники безопасности, имеющиеся в лаборатории.

После выполнения лабораторной работы необходимо представить и защитить отчет. Отчет должен содержать следующие разделы:

1. Цель работы.

2. Постановка задачи.

3. Модель разрабатываемого операционного элемента.

4. Тесты для проверки работы операционного элемента.

5. Разработка принципиальной схемы операционного элемента.

6. Результаты наладки и тестирования схемы. В этом разделе должны быть приведены временные диаграммы, основные характеристики схем, последовательность и результаты испытания схемы.

7. Выводы

В процессе защиты работы студент должен продемонстрировать знание теоретического материала, умение проектировать, знание способов оптимизации схем с целью увеличения их быстродействия или упрощения структуры. Отчет о лабораторной работе должен быть представлен преподавателю на следующем после выполнения работы занятии.

Общий список литературы приведен в конце методических указаний. Для упрощения подготовки к выполнению лабораторных работ при каждой ссылке на источник указываются страницы текста, содержащие наиболее полную информацию по изучаемому вопросу.