МУ проектЭВМ с приложениями_new ver

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и вычислительной техники Кафедра электронных вычислительных машин

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ « ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭВМ »

Печатается по решению

Киров 2012

1.Общие положения

1.1.Курсовое проектирование - это вид самостоятельной учебной работы студента по дисциплине « Проектирование ЭВМ », определенный рамками рабочей программы в пределах указанных часов, способствующий закреплению теоретических знаний и развитию профессиональных навыков и умений.

1.2.Курсовой проект является законченным самостоятельным исследованием, призванным способствовать закреплению полученных в течении всего периода обучения знаний, умений и навыков, а также приобретенных за время прохождения практик, и их использованию в практической работе по специальности.

1.3.Целью курсового проектирования как процесса самостоятельных исследований является систематизация, обобщение и проверка специальных теоретических знаний и профессиональных навыков.

1.4.К задачам курсового проектирования относятся :

o систематизация, расширение и закрепление теоретических и практических знаний в области проектирования современных средств вычислительной техники;

o приобретение навыков проектирования ;

o развитие навыков самостоятельной работы и элементов творческого мышления; приобретение навыков работы со справочной, нормативной и научно-технической литературой и Интернет-ресурсами;

o приобретение навыков чтения и оформления технической документации

2.Порядок выполнения курсового проекта

2.1. Первым этапом является осмысление задания на проектирование, где представлено перечисление технических параметров универсального процессора. Следует сделать краткий литературный обзор, постараться уяснить вопросы решенные и подлежащие нестандартному, но обоснованному решению, а также вопросы дискуссионного характера. Студент может предложить собственные решения наряду с существующими, применить свой подход. Кроме лекционного материала и рекомендованных книг студент может использовать законодательные и нормативные акты,

монографии отечественных и зарубежных авторов, периодическую печать и

Internet.

2.2. В течение всего периода проектирования студентам предоставляются консультации со стороны преподавателей кафедры, а также плановые практические занятия, которые проводит научный руководитель курсового проектирования, выдавший индивидуальные задания. Он оказывает научную и методическую помощь, постоянно контролирует выполнение проекта, может внести определенные коррективы и рекомендации.

2.3.Курсовой проект должен быть выполнен в сроки, предусмотренные учебным планом, и представлен на проверку научному руководителю до начала зачетной недели ( последняя неделя семестра перед началом сессии ). Руководитель отмечает недостатки и ошибки и решает вопрос о допуске к защите проекта. Студент обязан устранить указанные недостатки и представить проект на повторное рецензирование.

2.4.Защита обязательна для всех без исключения студентов. Она проводится по графику, утвержденному заведующим кафедрой. Он же утверждает состав комиссии (два преподавателя ). На защите студент обязан сформулировать цель проектирования, кратко изложить содержание проекта, сделать выводы, и, наконец, дать исчерпывающие ответы на все вопросы членов комиссии. Время, отведенное на доклад, не должно превышать 7-10 минут. Окончательная оценка курсового проекта выставляется по итогам защиты и качеству исполнения пояснительной записки и графического материала.

3.Содержание курсового проекта

3.1. Состав и структура пояснительной записки.

3.1.1 Структура должна обеспечивать наиболее полное раскрытие материала, т.е. все компоненты должны быть изложены в строгой логической последовательности и взаимосвязаны. В пояснительной записке можно выделить следующие структурные элементы:

Титульный лист (приложение 2),

Бланк задания на проектирование,

Реферат (приложение 4),

Ведомость документов (приложение 5),

Содержание,

Введение,

Главы основной части записки,

Заключение,

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов,

Приложения,

Библиографический список.

3.1.2.Первой страницей проекта следует считать титульный лист (

приложение 2), а далее все перечисленные структурные элементы. Текст содержания включает перечень глав, разделов, параграфов и т.д. Все структурные элементы являются обязательными. Титульный лист не нумеруется.

3.1.3.В реферате (приложение 4) указывают сведения об объеме пояснительной записки, количестве рисунков, таблиц, приложений, использованных источников, а также о перечне ключевых слов или фраз (их может быть от 5 до 10). Указывается цель проектирования, основные проектные методы и выделяются методы отличающиеся новизной. Отмечаются основные результаты проектирования.

3.1.4.Во введении в краткой форме показывается актуальность выполняемого проектирования, формулируется цель проекта и задачи, которые подлежат решению для достижения поставленной цели.

3.1.5.Первая глава должна содержать материал аналитического обзора методов и средств проектирования универсальных процессоров, уровень разработанности проблемы. При этом дословное копирование используемых

источников недопустимо, а в случае использование отдельных цитат требуется обязательная ссылка. Так как в бланке задания затруднительно разместить все исходные данные к проектированию, в конце первой главы необходимо привести развернутое техническое задание на проектирование (приложение 3).

3.1.6. Далее излагается расчетно-теоретическая часть пояснительной записки

– выбор и обоснование форматов команд процессора, (форматы данных заданы), разработка структурной организации процессора и предварительный (прикидочный) расчет его быстродействия. Как правило, предварительный расчет не позволяет добиться быстродействия, указанного в задании. В связи с этим предстоит применить подходящие структурные методы повышения быстродействия – расслоение памяти, введение КЭШ, возможно использование функционального блока очереди команд, конвейера и др. При этом требуется продемонстрировать обоснованность, доказательность, конкретность, действенность и эффективность проектных решений. Более

подробные рекомендации к выполнению данной части даны в следующей главе.

3.1.7.В заключении должны быть изложены основные выводы и предложения, даны количественные характеристики разработанного процессора и заданных функциональных устройств (быстродействие, показатели надежности и т.д.). Качество курсового проекта определяется, главным образом, степенью самостоятельности проработки вопросов, приветствуются элементы новизны, а также оригинальность и обоснованность выводов и предложений.

3.1.8.В библиографическом списке помещают только те литературные источники, которые использованы в проекте, и на них имеются соответствующие ссылки.

3.2.Состав графического материала

Врезультате проведенной работы по проектированию универсального процессора должны быть представлены следующие материалы:

Структурная схема процессора;

Форматы команд и обрабатываемых данных;

Виды (способы ) адресации;

Командный цикл процессора в виде граф-схемы алгоритма;

Функциональные схемы заданных устройств

4.Рекомендации к разработке отдельных этапов курсового проекта

Одна из главных трудностей при разработке данного курсового проекта

– это большой объем информации, необходимой для выбора и принятия технических решений. Учитывая то, что основные моменты разработки напрямую связаны с особенностями технического задания (необходимость введения конвейерной обработки команд, многозадачный режим, введение очереди команд и др.), и требуют более глубокого анализа, можно выделить ряд рекомендации и источников для более эффективной проработки общих для всех процессоров моментов.

4.1 Выбор прототипа архитектуры процессора это первое с чем сталкивается разработчик универсального процессора. Под архитектурой процессора принято понимать основную разрядность его интерфейсов, разрядность регистров общего назначения, используемые способы адресации, форматы данных и их кодирование в форматах команды ([10] стр. 149). Управление и защита памяти также строится на выборе архитектуры. Наиболее известны архитектуры процессоров Intel, AMD,

Motorola, Sun ([2] стр.53). В [7] показано, как различное число регистров общего назначения может влиять на производительность процессора.

4.2 Один из важнейших вопросов при разработке архитектуры процессора это выбор и обоснование форматов команд. На данный момент не существует однозначного подхода к определению формата команды. Общепринято делить все команды на две части: служебную и данных. Служебная часть включает в себя код операции (КОП), информацию о разрядности используемых данных, используемый тип адресации и/или регистры. В части данных может быть расположен непосредственный операнд, адрес ячейки в памяти, смещение и т.д.

В общем случае любая команда должна указывать на исходные данные, операцию, подлежащую выполнению и место хранения результата ([1] стр. 53, [3] стр. 60). Отсюда, увеличение количества доступных программисту команд (следовательно, гибкость и удобство программирования) влечет за собой увеличение разрядности служебной части в формате команд.

Не менее интересна ситуация с выборкой исходных данных и записью результата операции. С этой точки зрения принято делить форматы команд по количеству используемых адресов. Так, если команда сложения выбирает два операнда из различных ячеек памяти и результат записывается в другую ячейку памяти, то данная команда считается трех адресной. Следовательно, часть данных для подобной команды должна содержать три адреса (смещения), расположенных в определенной последовательности. Так как работа с памятью занимает длительное время, промежуточные результаты чаще всего хранят в регистрах общего назначения. Более того, некоторые команды могут работать с двумя регистрами в качестве источников операндов. В этом случае принято говорить не о количестве адресов, а количестве используемых «мест» командой (двух местные, одно местные). В случае если точно известно, что команда будет использовать только один адрес, а второй операнд хранится в регистрах общего назначения, принято говорить о полуторно адресной команде.

При разработке форматов команд основные трудности возникают при кодировании служебной части (рисунок 1). В общем случае кодируются следующие моменты:

количество адресов в команде;

код операции;

направление пересылки результата;

формат используемых данных;

способ и вид адресации (таблица 1);

номера используемых регистров;

коды используемых флагов.

При использовании многоадресных команд и/или большого количества регистров, с учетом не менее семи способов адресации, разрядность

служебной части команды может превысить 16 бит (стандартная разрядность с учетом байтовой организации памяти), что приведет к неэффективному использованию памяти при хранении команд. Одним из способов сокращения данной разрядности является перенос некоторых полей команды (например, направления пересылки) в слово-состояние процессора и введение дополнительной команды для его изменения.

Ф (1 бит: 15) – указатель формата команды;

КОП (5 бит: 14-10) – код операции;

РО (2 бит: 8) –разрядность операндов;

НП (1 бит: 9) – направление пересылки результата: 1 – в память / 0 – в регистр;

РЕГ1 (3 бита: 2-0) / РЕГ2 (3 бита: 5-3) – номер регистра для соответствующего операнда;

ВА1 (2 бита: 7,6) / ВА2 (3 бита: 5-3) – используемые в команде виды адресации для операнда, находящегося в памяти.

Рисунок 1 – пример кодирования служебной части двухадресной команды

Таблица 1 – пример кодирования способов адресации для рисунка 1

4.3 После определения формата команды приводится система команд. За базу команд чаще всего берутся команды процессора-прототипа ([3] стр. 513, [4] стр. 1270,). Основное требование при разработке системы команд – обеспечение универсальности работы процессора. Также следует предусмотреть ряд команд для работы с сопроцессором, которые понадобятся при разработке подпрограммы заданной элементарной функции. Пример оформления системы команд приведен в таблице 2. Система команд должна заканчиваться таблицей 3, необходимой для выдачи вероятностей появления команд ведущим преподавателем.

Таблица 2 – пример оформления системы команд

Таблица 3 – таблица для задания вероятностей появления команд Тип команд Количество Вероятность

Арифметико-логические простые

Арифметико-логические сложные

Пересылки

Передачи управления

Привилегированные

Прочие

Итого

4.4 Основными исходными данными для выбора разрядности регистров общего назначения являются заданные в ТЗ форматы данных. Необходимо помнить, что если максимальная разрядность данных не совпадает с разрядностью магистрали данных, то в формате команд следует указывать, где будет располагаться старшая и младшая часть числа. Данная проблема проиллюстрирована на рисунке 2. При выборе и обосновании регистровых структур процессора необходимо осветить следующие моменты:

разрядность регистров;

разделение регистров по функциональным группам (общего назначения, флагов и т.д. [1] стр. 61);

описание назначения отдельных регистров в группе;

побитовое описание регистра слова-состояния процессора ([3]

стр. 47).

Врегистре слова-состояния процессора указывается режим работы процессора, кодируются критические ошибки (обычно в унитарном коде), указываются используемые флаги.