Основы вычислительной техники. Методические рекомендации по курсовой работе. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТПЕТРАВЕЛИКОГО
Институт компьютерных наук и кибербезопасности
Высшаяшколакомпьютерныхтехнологийиинформационныхсистем
ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КУРСОВОЙ РАБОТЕ
Учебное пособие
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Санкт-Петербург
2024
ББК 32.971.32-04я73 О75
Р е ц е н з е н т ы:
Кандидат технических наук, доцент Высшей школы программной инженерии СПбПУ В. В. Амосов
Кандидат технических наук, доцент кафедры аэрокосмических компьютерных и программных систем, заведующая лабораторией систем и сетей-на-кристалле ЦАИР ГУАП Е. А. Суворова
А в т о р ы:
А. П. Антонов, О. В. Мамутова, О. М. Тарасов, А. С. Филиппов
Основы вычислительной техники. Методические рекомендации по кур-
совой работе : учеб. пособие / А. П. Антонов [и др.]. – СПб. : ПОЛИТЕХ-
ПРЕСС, 2024. – 83 с.
Соответствует образовательному стандарту СУОС по направлению подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника».
Посвящено основам представления двоичных чисел в вычислительнойтехникеипринципамработыосновныхвычислительныхузлов.Впособии системно излагаются базовые практические подходы реализации сумматоров, компараторов и умножителей. Выполнение разделов работы в среде Quartus Prime дает навыки построения арифметических и логических устройств вычислительной техники.
Предназначенодлябакалавров,аспирантовиспециалистов,занимающихся разработкой цифровой аппаратуры.
Табл. 11. Ил. 54. Библиогр.: 7 назв.
Печатается по решению Совета по издательской деятельности Ученого совета
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
ISBN 978-5-7422-8483-3 |
© Санкт-Петербургский политехнический |
doi:10.18720/SPBPU/2/id24-3 |
университет Петра Великого, 2024 |
Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation
PETER THE GREAT ST. PETERSBURG
POLYTECHNIC UNIVERSITY
Institute of Cybersecurity and Computer Science
Graduate School of Computer Technologies and Information Systems
FUNDAMENTALS
OF COMPUTING
METHODOLOGICAL GUIDELINES
FOR COURSE PAPER
Training manual
Peter the Great
St.Petersburg Polytechnic
University
Saint Petersburg
2024
R e v i e w e r s:
Candidate (PhD) of Engineering, associate professor
at the Graduate School of Software Engineering of SPbPU V. V. Amosov
Candidate (PhD) of Engineering, associate professor
at the Department of Aerospace Computer and Software Systems, Head of the Systems and Networks-on-Chip Laboratory at the Aerospace R&D Centre of Saint Petersburg State University
of Aerospace Instrumentation E. A. Suvorova
A u t h o r s:
A. P. Antonov, O. V. Mamutova, O. M. Tarasov, A. S. Filippov
Fundamentals of computing. Methodological guidelines for course paper: trainingmanual/A.P.Antonov[etal.].–St.Petersburg:POLYTECH-PRESS, 2024. – 83 p.
The training manual corresponds to the self-imposed educational standard in the major 09.03.01 “Computer Science and Engineering”.
It is dedicated to the fundamentals of binary numbers representation in computingandprinciplesofoperationofbasiccomputationalnodes.Themanual describes the basic practical approaches to implementing adders, comparators, and multipliers in a systematic way. Completing the sections in the Quartus Prime environment provides the skills of building arithmetic and logical devices of computing technology.
It is intended for Bachelor’s program students, postgraduate students, and specialists involved in the development of digital hardware.
Tables 11. Figures 54. References: 7 titles.
Printed by the Publishing Council
of the Peter the Great St. Petersburg polytechnic university Academic Council.
ISBN 978-5-7422-8483-3 |
© Peter the Great St. Petersburg |
doi:10.18720/SPBPU/2/id24-3 |
Polytechnic University, 2024 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение...................................................................................................... |
7 |
1. Исследование работы одноразрядного двоичного сумматора.................... |
8 |
1.1. Синтез сумматора............................................................................ |
8 |
1.2. Создание проектного логического файла |
|
на основе предварительно разработанной схемы ....................... |
12 |
1.3. Задание тестовых воздействий ..................................................... |
14 |
1.4. Запуск моделирования работы устройства .................................. |
16 |
2. Исследование сумматора чисел без знака в формате |
|
с фиксированной запятой ...................................................................... |
17 |
2.1. Создание модели многоразрядного комбинационного |
|
двоичного сумматора.................................................................... |
17 |
2.2. Моделирование работы многоразрядного |
|
комбинационного сумматора....................................................... |
18 |
2.3. Рекомендуемая программа тестирования сумматора |
|
модулей чисел ............................................................................... |
23 |
2.4. Подготовка к использованию сумматора модулей чисел |
|
как библиотечного модуля ........................................................... |
24 |
2.5. Сохранение архива проекта ......................................................... |
24 |
2.6.Сравнение чисел без знака на многоразрядном комбинационном двоичном сумматоре с использованием
дополнительного кода .................................................................. |
25 |
2.7.Сравнение чисел без знака на многоразрядном комбинационном двоичном сумматоре с использованием
обратного кода .............................................................................. |
28 |
3. Исследование двоичного сумматора чисел со знаком в формате |
|
с фиксированной запятой в дополнительном коде ..................................... |
29 |
3.1. Машинные коды представления двоичных чисел со знаком ...... |
29 |
3.2. Преобразование прямого двоичного кода в обратный |
|
и обратного кода в прямой ........................................................... |
31 |
3.3. Преобразование прямого двоичного кода в дополнительный |
|
и дополнительного кода в прямой ............................................... |
33 |
5
3.4. Сложение чисел со знаком в дополнительном коде .................... |
36 |
3.5. Сравнение чисел со знаком в дополнительном коде................... |
39 |
4. Исследование сложения чисел в формате с фиксированной запятой |
|
в обратном коде на двоичном сумматоре................................................ |
41 |
5. Исследование библиотечного модуля двоичного сумматора |
|
LPM_ADD_SUB ................................................................................... |
42 |
5.1. Сложение чисел без знака............................................................. |
42 |
5.2. Сложение чисел со знаком в дополнительном коде .................... |
47 |
5.3. Умножение числа без знака на константу.................................... |
48 |
6. Исследование сумматора чисел в формате с плавающей запятой........... |
50 |
7. Исследование алгоритмического умножения чисел в прямых кодах |
|
на двоичном сумматоре .......................................................................... |
57 |
7.1. Умножение младшими разрядами вперед со сдвигом |
|
множимого .................................................................................... |
58 |
7.2. Умножение старшими разрядами вперед |
|
со сдвигом суммы.......................................................................... |
61 |
7.3. Умножение старшими разрядами вперед |
|
со сдвигом множимого ................................................................. |
64 |
7.4. Умножение младшими разрядами вперед со сдвигом |
|
суммы ............................................................................................ |
67 |
7.5. Модифицированная структура устройства умножения |
|
младшими разрядами вперед со сдвигом суммы ......................... |
71 |
7.6. Программа работы........................................................................ |
73 |
8. Рекомендации по оформлению пояснительной записки.......................... |
75 |
Библиографический список .................................................................... |
76 |
Приложения.............................................................................................. |
77 |
ВВЕДЕНИЕ
Курс «Основы вычислительной техники» является вводным в аппаратном цикле дисциплин и предоставляет базовые знания о работе вычислительных устройств цифровой техники. Получаемые в рамках курса базовые понятия, знания о форматах и видах представления числовой информации и принципов ее обработки обеспечивают основу для дальнейшего знакомства с существующими подходами к построению вычислительных устройств.
Выполнение курсовой работы направлено на получение навыков работы с различными машинными форматами и кодами представления двоичных чисел, получение навыков по реализации сумматоров, компараторов и умножителей на их основе. В рамках курсовой работы решаются следующие основные задачи:
–исследованиереализациисумматораналогическихэлементах;
–исследование библиотечного модуля сумматора;
–исследование работы двоичных сумматоров и компараторов чисел в формате с фиксированной запятой, выполняющих сложение в прямых, обратных и дополнительных кодах;
–исследование суммирования чисел в формате с плавающей запятой на 32-разрядном библиотечном модуле;
–исследованиеумножениячиселнабазедвоичныхсумматоров. Длявыполненияработыподготовьтеинструментальныесредства. 1.СкачайтедистрибутивыпрограммыQuartusPrimeверсии18.1
или выше. Например, для версии 18.1 для операционной системы Windows эти дистрибутивы включают в себя основной дистрибутив программы QuartusLiteSetup-18.1….exe, программу для моделирования ModelSimSetup-18.1….exe и пакет поддержки ПЛИС семейства Cyclone IV cyclone-18....qdz.
7
2.Установите Quartus Prime, используя предлагаемые по умолчанию настройки и пути.
3.Запустите Quartus Prime (далее Quartus).
Результаты выполнения курсовой работы должны быть представлены в портфолио проектов в Quartus и пояснительной записке,оформленнойпотребованиямстандарта[1].Привыполнении работы рекомендуется использовать дополнительные источники по всему материалу курса [2, 5] и по работе с числами в формате
сплавающей запятой [3, 4, 7].
1.ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ОДНОРАЗРЯДНОГО ДВОИЧНОГО СУММАТОРА
1.1. Синтез сумматора
Две логические функции, cout и s, зависят от трех переменных (cin, a, b) и заданы таблицей истинности (табл. 1.1).
Для синтеза сумматора по этой таблице истинности выполните следующие действия.
1. Выполните минимизацию логических функций cout и s. Запишите для этих двух логических функций логические выражения в заданном в индивидуальном задании базисе (см. прил. 1).
Таблица 1.1
Таблица истинности полного одноразрядного двоичного сумматора
cin |
a |
b |
cout |
s |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
8
|
|
Таблица 1.2 |
|
Базисы логических функций |
|
|
|
|
Номер варианта |
Базис |
Логические элементы Элементы схемы |
|
|
|
1 |
Шеффера |
2И-НЕ |
|
|
|
2 |
Пирса |
2ИЛИ-НЕ |
3Классический 2И, 2ИЛИ, НЕ
Для обозначения логических операций XOR, AND, OR и NOT используйте соответствующие обозначения: , &, | и ~. Это обозначения побитовых логических операторов, применяемые в языке описания аппаратуры Verilog.
Включите в пояснительную записку описание выполненной процедуры минимизации и полученные логические выражения.
2.Разработайте схему, реализующую эти две логические функции в заданном базисе (табл. 1.2).
Создайте и исследуйте модель устройства, реализующего разработанную схему, в среде Quartus.
3.Создайте новый проект в среде Quartus. Для этого в меню File выберите New Project Wizard…. На экране появится окно введения Introduction (если оно не было отключено). Нажмите кнопку Next.
4.ВпоявившемсяокнеDirectory,Name,Top-levelEntity(рис.1.1)
введите:
9
Рис. 1.1. Задание пути рабочей папки проекта, имени проекта и имени файла верхнего уровня
–путь к новой директории, где будут расположены файлы про-
екта;
–имя проекта (name of the project): adder_mod.
Примечание 1. Не используйте в путях и именах файлов русские буквы и пробелы, а также цифры в началах имен во избежание появления некоторых ошибок при работе с Quartus.
Примечание2.Создавайте каждый новый проект в отдельной новой папке. Не размещайте в одной папке файлы сразу нескольких проектов, это позволит гарантированно избежать некоторых ошибок при работе с Quartus.
НажмитекнопкуNext.Подтвердитесозданиеновойдиректории. 5. В следующем окне Project Type оставьте выбранную по умол-
чанию настройку Empty Project и нажмите кнопку Next.
10