2 Задание на курсовое проектирование
Вариант задания №2
Исходные данные для проектирования описаны в таблице 1
|
Характеристика команд |
АЛУ |
ЗУ |
УУ |
Характеристи-ка данных | |||||||
|
Адрес-ность |
Формат |
Способ адреса-ции |
Разрядность |
Разря-дность |
Емкость |
Тип УА |
Разрядность | ||||
|
2 |
AS, RR |
П К О |
32 |
8 |
16 |
ППЛ |
16 | ||||
Таблица 1 – Задание на курсовое проектирование
Список операций, выполняемых устройством, должен быть следующим:
арифметические операции:
сложение;
вычитание;
умножение;
деление;
логические операции:
дизъюнкция;
конъюнкция;
сложение по модулю два;
условный переход по значению >0;
условный переход по значению <0;
условный переход по значению =0;
условный переход по переполнению;
безусловный переход;
вызов подпрограммы;
возврат из подпрограммы;
операции с запоминающим устройством:
запись в запоминающее устройство;
чтение из запоминающего устройства;
операции со стеком:
запись;
чтение;
сложение со стеком;
вычитание из стека;
операции с внешними устройствами:
запись во внешнее устройство;
чтение из внешнего устройства;
системные операции:
останов;
разрешение прерывания;
запрещение прерывания;
возврат из прерывания;
загрузка регистра базы;
загрузка указателя стека.
3 Разработка структурной схемы вычислительного устройства
В курсовом проекте необходимо разработать процессор и организацию его взаимодействия с запоминающими и внешними устройствами. Структурная схема вычислительного устройства представлена на рисунке 1
Рисунок 1 – Структурная схема вычислительного устройства.
ОЗУ – оперативно запоминающее устройство;
Pr – блок регистров и логических схем;
АЛУ – арифметико-логическое устройство;
УУ – устройство управления;
БС – блок согласования разрядности шин;
ША – шина адреса;
ШД – шина данных;
ШУ – шина управления;
ШС – шина состояния;
ВУ – внешнее устройство.
4 Выбор системы команд и определение форматов команд вычислительного устройства
Определим разрядности основных шин и блоков, регистров, а так же разрядности команд и данных и количество регистров, обеспечивающих выполнение заданного набора операций.
Разрядность
шины данных (ШД) определяется из варианта
задания. В нашем случае разрядность ШД
равна 16, т.е. ШД (15-0). Для определения
разрядности шины адреса (ША) используем
заданные в таблице 2.1
параметры запоминающего устройства:
разрядность слова и емкость. Определим
количество ячеек памяти:
,
для того, чтоб адресовать все ячейки
ОЗУ необходима разрядность ША равная
11, т.к. 211
= 2048. Получаем
ША(10-0).
Что бы найти разрядность шины управления (ШУ) надо определить формат команд. Для кодирования операций нам понадобиться поле кода операций (КОП). Так как количество операций, которые необходимо реализовать в разрабатываемом устройстве 28, нам понадобиться 5 двоичных разрядов для двоичного кодирования.
После выбора количества разрядов КОП необходимо закодировать все операции системы команд представленные в таблице 2.
Таблица 2 – Кодирование команд
|
№ п/п |
Код операции |
Тип операции |
Мнемоника операции |
|
1 |
00000 |
Сложение |
add |
|
2 |
00001 |
Вычитание |
sub |
|
3 |
00010 |
Умножение |
mul |
|
4 |
00011 |
Деление |
div |
|
5 |
00100 |
ИЛИ |
or |
|
6 |
00101 |
И |
and |
|
7 |
00110 |
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ |
xor |
|
8 |
00111 |
Условный переход, если >0 |
jns |
|
9 |
01000 |
Условный переход, если <0 |
js |
|
10 |
01001 |
Условный переход, если =0 |
jz |
|
11 |
01010 |
Условный переход по переполнению |
jo |
|
12 |
01011 |
Безусловный переход |
jmp |
|
13 |
01100 |
Переход к подпрограмме |
call |
|
14 |
01101 |
Выход из подпрограммы |
ret |
|
15 |
01110 |
Запись в ЗУ |
stm |
|
16 |
01111 |
Чтение из ЗУ |
ldm |
|
17 |
10000 |
Запись в стек |
push |
|
18 |
10001 |
Чтение из стека |
pop |
Продолжение таблицы 2
|
№ п/п |
Код операции |
Тип операции |
Мнемоника операции |
|
19 |
10010 |
Сложение со стеком |
sadd |
|
20 |
10011 |
Вычитание из стека |
ssub |
|
21 |
10100 |
Запись в ВУ |
out |
|
22 |
10101 |
Чтение из ВУ |
in |
|
23 |
10110 |
Останов |
stop |
|
25 |
10111 |
Разрешение прерывания |
sif |
|
26 |
11000 |
Запрещение прерывания |
rif |
|
27 |
11001 |
Возврат из прерывания |
iret |
|
28 |
11010 |
Загрузка регистра базы |
ldb |
|
29 |
11011 |
Загрузка указателя стека |
ldsp |
В задании дано два формата команды, чтоб их закодировать достаточно одного бита: ФК AS = 1, ФК RR = 0.
Для того чтобы закодировать содержимое поля тип адресации (ТА), необходимо два разряда, так как задано три типа адресации. Для прямой адресации (П) код ТА = 00, для косвенной (К) – ТА = 01 и для относительной (О) – ТА = 10.
Для команды формата AS получаем:
Рисунок 2 – формат команды AS
Первым операндом данной команды является аккумулятор, так как его местоположение определяется однозначно, в команде он явно не указывается. Вторым операндом для этой команды является поле адреса ячейки оперативной памяти S разрядности 11, равную разрядности ША. Так как разрядность команды должна быть кратна степени двойки, дополним ее до 32 разрядов. Получаем разрядность формата команды (31-0).
Для того, чтобы определить формат RR необходимо выбрать разрядность поля R. Для выбора разрядности поля R сначала необходимо выбрать число регистров общего назначения (РОН). Пусть число РОН будет 8, тогда для кодирования номеров регистров достаточно 3 бит.
Получаем следующий формат команды для RR:
Рисунок
3– формат команды RR
Для удобства организации выборки команды из памяти, анализа команды и определения разрядности шины управления (ШУ) дополним разрядность команды этого формата так же до 32 разрядов.
Разрядность ШУ равна разрядности формата команды, т.е. получаем ШУ(31-0)
Составим содержательную таблицу 3 кодирования всех вариантов форматов команд
Таблица 3 – Кодирование форматов команд
|
Код операции |
Формат команды |
Тип адресации (ТА) |
Код ТА |
Содержание операции | ||||
|
Арифметические | ||||||||
|
add 00000 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:=РОН[R1]+РОН[R2] | ||||
|
К |
01 |
РОН[R]:=OP[РОН[R1]]+OP[РОН[R2]] | ||||||
|
О |
10 |
РОН[R]:=OP[B+РОН[R1]]+OP[B+РОН[R2]] | ||||||
|
AS |
П |
00 |
A:= A +OP[S] | |||||
|
К |
01 |
A:= A +OP[OP[S]] | ||||||
|
О |
10 |
A:= A +OP[B+S] | ||||||
|
sub 00001 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:=РОН[R1]-РОН[R2] | ||||
|
К |
01 |
РОН[R]:=OP[РОН[R1]]-OP[РОН[R2]] | ||||||
|
О |
10 |
РОН[R]:=OP[B+РОН[R1]]-OP[B+РОН[R2]] | ||||||
|
AS |
П |
00 |
A:= A -OP[S] | |||||
|
К |
01 |
A:= A -OP[OP[S]] | ||||||
|
О |
10 |
A:= A -OP[B+S] | ||||||
|
mul 00010 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:=РОН[R1]*РОН[R2] | ||||
|
К |
01 |
РОН[R]:=OP[РОН[R1]]*OP[РОН[R2]] | ||||||
|
О |
10 |
РОН[R]:=OP[B+РОН[R1]]*OP[B+РОН[R2]] | ||||||
|
AS |
П |
00 |
A:= A *OP[S] | |||||
|
К |
01 |
A:= A *OP[OP[S]] | ||||||
|
О |
10 |
A:= A *OP[B+S] | ||||||
|
div 00011 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:=РОН[R1]/РОН[R2] | ||||
|
К |
01 |
РОН[R]:=OP[РОН[R1]]/OP[РОН[R2]] | ||||||
|
О |
10 |
РОН[R]:=OP[B+РОН[R1]]/OP[B+РОН[R2]] | ||||||
|
AS |
П |
00 |
A:= A /OP[S] | |||||
|
К |
01 |
A:= A /OP[OP[S]] | ||||||
|
О |
10 |
A:= A /OP[B+S] | ||||||
Продолжение таблицы 3
|
Код операции |
Формат команды |
Тип адресации (ТА) |
Код ТА |
Содержание операции | ||||
|
Логические | ||||||||
|
or 00100 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:=РОН[R1] | ||||
|
К |
01 |
РОН[R]:=OP[РОН[R1]]
| ||||||
|
О |
10 |
РОН[R]:=OP[B+РОН[R1]] | ||||||
|
AS |
П |
00 |
A:=
A
| |||||
|
К |
01 |
A:=
A
| ||||||
|
О |
10 |
A:=
A
| ||||||
|
and 00101 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:=РОН[R1] | ||||
|
К |
01 |
РОН[R]:=OP[РОН[R1]]
| ||||||
|
О |
10 |
РОН[R]:=OP[B+РОН[R1]] | ||||||
|
AS |
П |
00 |
A:=
A
| |||||
|
К |
01 |
A:=
A
| ||||||
|
О |
10 |
A:=
A
| ||||||
|
xor 00110 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:=РОН[R1] | ||||
|
К |
01 |
РОН[R]:=OP[РОН[R1]] | ||||||
|
О |
10 |
РОН[R]:=OP[B+РОН[R1]] | ||||||
|
xor 00110 |
AS |
П |
00 |
A:=
A
| ||||
|
К |
01 |
A:=
A
| ||||||
|
О |
10 |
A:=
A
| ||||||
|
Команды передачи управления | ||||||||
|
jns 00111 |
RR |
П |
00 |
if (SF = 0) and (ZF=0) then PC:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
if (SF = 0) and (ZF=0) then PC:= A | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
js 01000 |
RR |
П |
00 |
if (SF = 1) then PC:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
if (SF = 1) then PC:= A | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
jz 01001 |
RR |
П |
00 |
if (ZF = 1) then PC:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
if (ZF = 1) then PC:= A | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
РОН[R2]
OP[РОН[R2]]
OP[B+РОН[R2]]
OP[S]
OP[OP[S]]
OP[B+S]
РОН[R2]
OP[РОН[R2]]
OP[B+РОН[R2]]
OP[S]
OP[OP[S]]
OP[B+S]
РОН[R2]
OP[РОН[R2]]
OP[B+РОН[R2]]
OP[S]
OP[OP[S]]
OP[B+S]
Продолжение таблицы 3
|
Код операции |
Формат команды |
Тип адресации (ТА) |
Код ТА |
Содержание операции | ||||
|
jo 01010 |
RR |
П |
00 |
if (OF = 1) then PC:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
if (OF = 1) then PC:= A | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
jmp 01011 |
RR |
П |
00 |
PC:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
PC:= A | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
call 01100 |
RR |
П |
00 |
SP:= SP-2, OP[SP]:=PC+1 PC:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
SP:= SP-2, OP[SP]:=PC+1 PC:= A | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
ret 01101 |
|
П |
00 |
PC:=OP[SP] SP:=SP+2 | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
Операции с ЗУ | ||||||||
|
stm 01110 |
RR |
П |
00 |
POН[R1]:= РОН[R2] | ||||
|
К |
01 |
OP[РОН[R1]]:= РОН[R2] | ||||||
|
О |
10 |
OP[B+ РОН[R1]]:= РОН[R2] | ||||||
|
AS |
П |
00 |
OP[S]:= A | |||||
|
К |
01 |
OP[OP[S]]:= A | ||||||
|
О |
10 |
OP[B+S]:= A | ||||||
|
ldm 01111 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:= РОН[R1] | ||||
|
К |
01 |
РОН[R] := OP[РОН[R1]] | ||||||
|
О |
10 |
РОН[R]:= OP[B+РОН[R1]] | ||||||
|
AS |
П |
00 |
A:= OP[S] | |||||
|
К |
01 |
A:= OP[OP[S]] | ||||||
|
О |
10 |
A:= OP[B+S] | ||||||
Продолжение таблицы 3
|
Код операции |
Формат команды |
Тип адресации (ТА) |
Код ТА |
Содержание операции | ||||
|
Операции со стеком | ||||||||
|
push 10000
|
RR |
П |
00 |
SP:=SP-1, OP[SP]:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
SP:=SP-1, OP[SP]:=OP[S] | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
pop 10001 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:= OP[SP], SP:=SP+1 | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
OP[S]:= OP[SP], SP:=SP+1 | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
sadd 10010 |
RR |
П |
00 |
OP[SP]:= OP[SP]+POH[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
OP[SP]:= OP[SP]+A | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
ssub 10011 |
RR |
П |
00 |
OP[SP]:= OP[SP]-POH[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
OP[SP]:= OP[SP]-A | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
Операции с ВУ | ||||||||
|
out 10100 |
RR |
П |
00 |
RgED:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
RgED:=OP[S] | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
in 10101 |
RR |
П |
00 |
РОН[R]:= RgED | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
OP[S]:= RgED | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
Продолжение таблицы 3
|
Код операции |
Формат команды |
Тип адресации (ТА) |
Код ТА |
Содержание операции | ||||
|
Системные операции | ||||||||
|
stop 10110 |
RR |
П |
00 |
WF:=0 | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 | ||||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
sif 10111 |
RR |
П |
00 |
IF:=1 | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 | ||||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
rif 11000 |
RR |
П |
00 |
IF:=0 | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 | ||||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
iret 11001 |
|
П |
00 |
PC:=OP[SP], SP:=SP+1 RgF:=OP[SP], SP:=SP+1 | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
ldb |
RR |
П |
00 |
B:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
B:=OP[S] | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
ldsp |
RR |
П |
00 |
SP:=РОН[R] | ||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
|
AS |
П |
00 |
SP:=OP[S] | |||||
|
К |
01 | |||||||
|
О |
10 | |||||||
Примечание. В данной таблице приняты следующие сокращения наименований и условные обозначения содержимого полей, ячеек ОП и регистров: R1, R2,S – значения полей из кода инструкции; OP – операнд из памяти; А – аккумулятор; SP – регистр – указатель стека; PC – регистр – программный счетчик; AS – адресация «аккумулятор – ячейка оперативной памяти»; RR – адресация «регистр–регистр»; RgED – регистр внешнего устройства; RgF – регистр флагов; WF – флаг пуска-останова процессора; SF – флаг знака; OF – флаг переполнения; ZF – флаг нуля; [address] – операнд из ячейки с адресом address; RB – регистр базы; IF – флаг прерывания.