Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт»

Кафедра компьютерных систем и сетей

Разработка цифрового вычислителя с конвейерной обработкой данных

Пояснительная записка к курсовому проекту,

направление 6.050102 – «Компьютерная инженерия»

по дисциплине «Прикладная теория цифровых автоматов»

ХАІ.503.535.14О.050102, 1105079 ПЗ

Выполнил студент гр. 535 Сабельников И.В.

(№ группы) (Ф.И.О.)

(подпись, дата)

Проверил ст. преподаватель

(научная степень, ученое звание, должность)

Фурманов К.К.

(подпись, дата) (Ф.И.О.)

Харьков 2025

Содержание

Задание к курсовому проекту 3

1. Введение 4

1.1. История 5

1.2. Тактовый генератор 5

1.3. Конфликт конвейера 6

1.4. Бесконвейерная архитектура 6

1.5. Преимущества и недостатки 8

1.6. Общий конвейер 9

1.7. «Пузырек» 11

1.8. Трудности 11

2. Проектирование линейного конвейера 14

2.1. Граф информационных связей 14

2.2. Операционная схема конвейерного процессора 15

2.3. Управляющий автомат 16

2.4. Таблица занятости 17

2.5. Граф-схема алгоритма (ГСА) в закодированном виде 18

3. Проектирование конвейера с обратными связями 19

3.1. Граф информационных связей 19

3.2. Операционная схема конвейерного процессора 20

3.3. Сокращенная таблица занятости 22

3.4. Полная таблица занятости 23

3.5. Граф-схема алгоритма (ГСА) в закодированном виде 24

3.6. Формат микропрограммы 25

3.7. Микропрограмма для управляющего автомата 25

3.8. Принципиальная схема вычислителя 26

Выводы 27

Список использованной литературы 28

Задание к курсовому проекту

Тема: Разработка цифрового вычислителя с конвейерной обработкой данных.

1. Вычислитель реализует функцию F=sin²(a+b)+(a+b)*b.

2. В фигурных скобках задания указаны типы операционных блоков - {+, *, sin}.

3. Функция F реализуется для 10 различных наборов выходных данных.

4. Разрядность данных – 1 байт.

5. Элементарные функции (y=f(x)) реализовать таблично на ПЗУ.

В пояснительной записке к курсовому проекту представить:

1. Титульный лист.

2. Задание к курсовому проекту.

3. Введение.

4. Для линейного конвейера представить:

   1. Линейный граф информационных связей.

   2. Таблицу занятости операционных блоков.

   3. Разработку операционной схемы вычислителя и полной таблицы занятости.

   4. Граф микропрограммы.

5. Для конвейера с обратными связями представить:

   1. Совмещённый граф информационных связей.

   2. Таблицу занятости.

   3. Операционную схему вычислителя.

   4. Полную таблицу занятости.

   5. Граф микропрограммы.

   6. Формат микрокоманды и микропрограмму для управляющего автомата с гибкой логикой.

   7. Принципиальную схему вычислителя – реализовать на Quartus II.

6. Заключение.

7. Список использованной литературы.

1. Введение

Конвейер — способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью повышения их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени), технология, используемая при разработке компьютеров и других цифровых электронных устройств.

Идея заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.

1. Простой пятиуровневый конвейер в risc-процессорах

На рисунке 1 показан простой пятиуровневый конвейер в RISC-процессорах. Здесь:

• IF (англ. Instruction Fetch) — получение инструкции,

• ID (англ. Instruction Decode) — раскодирование инструкции,

• EX (англ. Execute) — выполнение,

• MEM (англ. Memory access) — доступ к памяти,

• WB (англ. Register write back) — запись в регистр.

Вертикальная ось — последовательные независимые инструкции, горизонтальная — время. Зелёная колонка описывает состояние процессора в один момент времени, в ней самая ранняя, верхняя инструкция уже находится в состоянии записи в регистр, а самая последняя, нижняя инструкция только в процессе чтения.