3 Разработка арифметико-логического устройства

3.1 Общие положения разработки

В соответствии с заданием, арифметико-логическое устройство проектирова­лось как автомат с закрепленными микрооперациями. Данная структура АЛУ позволяет уменьшить сложность при разработке АЛУ, так как для выполнения каждой команды (SBB, IMUL и SAL) разрабатывается свой операционный автомат. Поскольку в АЛУ гипотетического микропроцессора должны выполняться только три команды, то и структурная схема конкретного АЛУ будет проще. Схема данного АЛУ будет отличаться от стандартной схемы АЛУ, синтезированного по способу ОМО.

3.2 Разработка ОА и микропрограммы операции SBB

Команда SBB - выполняет вычитание с займом. Данная команда аналогична SUB, но она вычитает из приемника значение источника и дополнительно вычитает значение флага CF. Ее можно использовать для вычитания 64-битных чисел в EDX:EAX и EBX:ECX аналогично ADD/ADC:

sub eax, ecx

sbb edx, ebx

Формат команды: SBB приемник, источник.

Размер команды: 2 байта.

Схема операционного автомата операции SBB приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема ОА выполнения микрооперации SBB

Состав:

РП	- регистр приемник
РИ	- регистр источник
РР	- регистр результата
РФ	- регистр флага
БКЗ	- блок контроля знака операндов
ФК	- формирователь кода
КСМ	- комбинационный сумматор
Перечень шин:
ШД	- шина данных

Перечень осведомительных сигналов:

X1 :

БКЗ

- переполнение (перенос/заем)

Перечень микро-операций:

Y1 :	РИ:= ОП2	загрузка в регистр ОП2
Y2 :	РП:= CF	загрузка в регистр РП флага переполнения
Y3 :	КСМ:= РИ + РП	суммирование
Y4 :	ФК:=PP	загрузка в ФК значения PP
Y5 :	РИ:= ОП1	загрузка в регистр ОП1
Y6 :	КСМ:= РИ + ФК	сложение
Y7 :	РР:= КСМ	загрузка в РР результата
Y8 :	CF:= БКЗ	установка флага переноса

Микропрограмма автомата операции SBB, построенная по схеме рисунка 3.1, приведена на рисунке 3.2.

3.3 Разработка ОА и микропрограммы операции IMUL

Команда IMUL – умножение чисел со знаком. Источник (регистр или переменная) умножается на AL, AX или EAX (в зависимости от размера операнда), и результат располагается в AX, DX:AX или EDX:EAX соответственно. Результат может занимать в два раза больше места, чем размер источника. В данном случае приемник автоматически оказывается очень большим. Флаги OF и CF будут равны единице, если это произошло, и нулю, если результат умножения поместился целиком в младшую половину приемника. Значения SF, ZF, AF и PF после команды IMUL не определены.

Формат команды: IMUL источник.

Размер команды: 2 байта.

Схема операционного автомата операции IMUL приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.2- Микропрограмма выполнения команды SBB

Рисунок 3.3 – Схема ОА микрооперации IMUL

Состав:

РП	- регистр приемник
РИ	- регистр источник
РЧС	- регистр частичных сумм
СЧ	- счетчик
БКЗ	- блок контроля знака операндов
ФК	- формирователь кода
КСМ	- комбинационный сумматор
CДВ	- регистр сдвига
Перечень шин
ШД	- шина данных

Перечень осведомительных сигналов

X1 :	CЧ = 0	- СЧ равен 0 - 1, не равен 0
X2 :	РИ[n] = 0	- множимое положителен
X3 :	СЧ = 1	- СЧ равен 1 - 1, не равен 0
X4 :	РП[n-1] = 0	- старший бит множителя равен 0

Перечень микроопераций

Y1 :	РП := ОП2	Загрузка в регистр РП значения ОП2
Y2 :	РИ := ОП1	Загрузка в регистр БР значения ОП1
Y3 :	РЧС := 0	обнуление регистра РЧС
Y5 :	СДВ := РИ	Заносим в СДВ содержимое РИ
Y6 :	L := L1(СДВ).0	сдвиг влево СДВ на 1
Y7 :	РИ := СДВ	Заносим содержимое СДВ в РИ
Y8 :	СДВ := РИ	Заносим в СДВ содержимое РИ
Y9 :	РП := СДВ	Заносим содержимое СДВ в РП
Y10 :	КСМ := РП + РЧС	выполнить сложение
Y11 :	СДВ := РИ	занести результат в СДВ
Y12 :	РИ := СДВ	занести результат в РИ
Y13 :	РЧС := КСМ	занести результат в РЧС
Y14 :	ФК:= РИ	занести в ФК значение РИ
Y15 :	ФК:= РП	занести в ФК значение РП
Y16 :	КСМ:=ФК+РЧС	выполнить сложение ФК и РЧС
Y17 :	CЧ:= n - 1	установить начальное значение счетчика
Y18 :	ШД:= РЧС[07]	Передать на шину данных младший байт результата
Y19 :	ШД:= РЧС[815]	Передать на шину данных старший байт результата
Y20 :	R := 0.R­1( СДВ)	сдвиг вправо СДВ на 1

Микропрограмма автомата операции IMUL, построенная по схеме рисунка 3.3, приведена на рисунке 3.4.

3.4 Разработка ОА и микропрограммы операции SAL

Команда SAL выполняет арифметический сдвиг влево.

Формат команды: SAL приемник, счетчик.

Размер команды: 2 байта.

Схема операционного автомата операции SAL приведена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5- Схема ОА микрооперации SAL

Рисунок 3.6 – Микропрограмма автомата команды SAL

Состав:

РП	- регистр приемник
СF	- флаг переноса
L	- ячейка спадающего разряда
СЧ	- счетчик
РР	- регистр результата
СДВ	- сдвигающий регистр
Перечень шин
ШД	- шина данных

Перечень осведомительных сигналов

X1 :	m	- количество циклов
X2 :	СЧ := 0	- счетчик равен 0

Перечень микроопераций

Y1 :	РП := ОП1	- загрузка в регистр ОП1
Y2 :	СЧ := 1	- установка счетчика
Y3 :	X := СЧ	- присвоение значения счетчика переменной
Y4 :	СДВ := РП	- заносим ОП в сдвигающий регистр
Y5 :	L:= СДВ	- выполняем сдвиг вправо
Y6 :	СF := СДВ[n]	- устанавливаем регистр флагов
Y7 :	СДВ[0] := 0	- возвращаем в младший бит СДВ значение 0
Y8 :	РР:= СДВ	- запоминаем результат операции
Y9 :	КСМ:=Х+1	- увеличиваем значение сумматора на 1
Y10 :	СЧ:=КСМ	- передаем счетчику значение сумматора

Рисунок 3.4- Микропрограмма автомата команды IMUL

3.5 Структурная схема ОА АЛУ

АЛУ представляет собой ОА с ОМО, способный выполнять требуемые микрооперации SBB, SAL и IMUL. Он содержит в себе элементы, на которых выполняются эти операции, ОА которых представлены на рисунках 3.2, 3.4 и 3.6. Структурная схема операционного автомата АЛУ с ОМО представлена на рисунке 2.7.

Рисунок 3.7 – Схема ОА АЛУ

Состав АЛУ:

КЧ – комбинационная часть (представляет собой набор элементов, выполняющих МО);

Р1 – регистр хранения первого операнда;

Р2 – регистр хранения второго операнда;

Р3 – регистр результата.

Р1: Р3 – составляют запоминающую часть (ЗЧ) ОА.

Перечень шин:

А – шина внешних данных;

X, Y – входные шины КЧ;

Z – выходная шина КЧ;

AZ – входная шина запоминающей части.

Набор микроопераций:

y_AZ : AZ:=

{y_i} : множество микроопераций КЧ;

{ } : множество микроопераций над входной шиной X КЧ;

{ } : множество микроопераций над входной шиной Y КЧ;

y_A : прием сигналов с входной шины A

Осведомительные сигналы:

X_i: осведомительные сигналы результата (знак, переполнение, нечетность) – флаг переполнения OF, флаг нечетности PF, флаг знака SF, флаг переноса CF.

3.6 Микропрограмма работы АЛУ

Микропрограмма работы АЛУ представлена на рисунке 3.8; объединенный ОА АЛУ представлен на рисунке 3.9.

Рисунок 3.8 - Микропрограмма работы АЛУ

На основании ОА для выполнения заданных операций разработаем структуру обобщенного АЛУ, синтезированного по способу обобществленных микроопераций. Синтезированная структура АЛУ показана на рисунке 3.9 .

Рисунок 3.9 - Схема общего ОА АЛУ

В состав общего ОА АЛУ включены:

РП	- регистр приемник
РИ	- регистр источник
РР	- регистр результата
РФ	- регистр флагов
ФК	- формирователь кода
КСМ	- комбинационный сумматор
CДВ	- двунаправленный регистр сдвига
L и R	- ячейки спадающих разрядов
БФКР	- блок формирования коррекции результата
Перечень шин
ШД	- шина данных (является логическим продолжением А-шины процессора

В состав общего ОА АЛУ включены следующие микрооперации:

Y1 :	РП := ШД(ОП1)	загрузка в регистр РП значения ОП2
Y2 :	РИ := ШД(ОП2)	загрузка в регистр РИ значения ОП1
Y3 :	ФК := РП	загрузка в ФК значения РП
Y4 :	ФК := РИ	загрузка в ФК значения РИ
Y5 :	СЧ := n	запись в счетчик значения n
Y6 :	СЧ := СЧ - 1	операция инкремента счетчика
Y7 :	РИ := РФ	копирование регистра флагов в РИ
Y8 :	РИ := РФ	копирование регистра результата в РИ
Y9 :	СДВ := КСМ	передача данных в сдвиговый регистр
Y10 :	R := 1(СДВ).0	сдвиг вправо СДВ на 1
Y11 :	L := 1(СДВ).0	сдвиг влево СДВ на 1
Y12 :	-	набор микроопераций корректировки результата при выполнении алгебраического сложения
Y13 :	-	набор микроопераций корректировки результата при выполнении умножения
Y14 :	РФ (СF) := L	запись случаев переноса или займа
Y15 :	РР(0) := L	возврат в младший бит РР при циклических сдвигах
Y16 :	PP(n) := R	возврат в старший бит РР при циклических сдвигах
Y17 :	ШД := РР	возврат на внешнюю шину данных результата из РР
Y18 :	РР := СДВ	передача данных в РР из сдвигающего регистра
Y19 :	АЛУ:=0	указание что АЛУ занято
Y20 :	АЛУ:=1	указание что АЛУ свободно

Перечень осведомительных сигналов полностью повторяет осведомительные сигналы разработанные в ОА для выполнения заданного перечня операций.

Последовательность микроопераций опишем микрофункциями повторяющими микропрограммы, разработанные для отдельных операций и разместим их в микропрограммном устройстве управления (МУУ). В ММУ разместим также схему, формирующую укрупненные осведомительные сигналы. Приведем перечень осведомительных сигналов общего АЛУ:

X1 :	Пуск АЛУ
X2 :	SAL	- выполнение операции SAL
X3 :	SBB	- выполнение операции SBB
X4 :	IMUL	- выполнение операции IMUL