- •6.050102 – «Компьютерная инженерия»
- •1. Общие сведения
- •2.Лабораторная работа № 1. Синтез комбинационных и триггерных схем.
- •3. Лабораторная работа №2. Выполнение
- •4. Лабораторная работа №3. Комбинационные
- •5. Лабораторная работа № 4. Накапливающие
- •6. Лабораторная работа №5. Схемы сравнения кодов
- •10. Лабораторная установка «logic-trigger» (l-t)
Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины
Севастопольский национальный технический университет
ОПЕРАЦИОННЫЕ ЗЛЕМЕНТЫ
Методические указания
к циклу лабораторных работ
по дисциплине "Архитектура компьютеров"
для студентов направления
6.050102 – «Компьютерная инженерия»
дневной и заочной форм обучения
Севастополь
2012
Операционные элементы: Методические указания к циклу лабораторных работ
по дисциплине "Архитектура компьютеров" для студентов направления 6.050102 – «Компьютерная инженерия» дневной и заочной форм обучения / Состав. Т.В.Волкова., Ю.К. Апраксин. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2012. - ___ с.
Методические указания преследуют цель облегчить выполнение лабораторных работ, включенных в цикл "Операционные элементы", углубить знания студентов в области проектирования операционных автоматов и составляющих их элементов, помочь обрести необходимые навыки сборки и наладки дискретных вычислительных и управляющих устройств. Методические указания к каждой лабораторной работе содержат четкую постановку задачи, варианты заданий, методические рекомендации к домашней подготовке к лабораторной работе, последовательность ее выполнения на лабораторном макете и содержание отчета. Приводится описание лабораторных макетов и справочные данные о наиболее употребительных из используемых в лабораторных работах интегральных схемах.
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры КиВТ (протокол № ___ от _________ 2012 г.)
Допущено учебно-методическим центром и научно-методическим советом СевНТУ в качестве методических указаний
Рецензент: д-р техн. наук, профессор кафедры Технической кибернетики Е.А.Шушляпин.
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
1. Общие сведения 4
2. Лабораторная работа №1. Синтез комбинационных и
триггерных схем 5
3. Лабораторная работа №2. Выполнение микроопераций
в регистрах 7
4. Лабораторная работа №3. Комбинационные двоичные
счетчики 10
5. Лабораторная работа №4. Накапливающие двоичные
счетчики 13
6. Лабораторная работа №5. Схемы сравнения кодов 15
7. Лабораторная работа №6. Дешифраторы и мультиплексоры
и их использование для организации передач в системе
регистров 17
8. Лабораторная работа №7. Распределители сигналов 20
9. Лабораторная работа №8. Двоичные сумматоры 23
10. Лабораторная установка «Logic-Trigger» 25
Библиографический список 29
1. Общие сведения
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Архитектура компьютеров».
Назначение компьютера – обработка входных данных в соответствии с программой, заданной пользователем, с целью получения выходных данных. Архитектура вычислительной системы (ВС) должна точно определять интерфейс (способ взаимодействия) между программой и аппаратурой ВС.
Архитектура ЭВМ – совокупность свойств и характеристик ЭВМ, рассматриваемых с точки зрения пользователя. Важнейшие архитектурные решения, положенные в основу создания ЭВМ в целом и ее отдельных узлов, задают принцип работы вычислительной системы на функциональном уровне безотносительно физической реализации. Примером классических архитектурных решений может служить
выделение в составе ЭВМ центрального управляющего устройства (процессора), оперативной памяти и других операционных устройств со своими специфическими функциями,
интерфейс системной шины для организации взаимодействия между процессором, оперативной памятью, постоянной памятью, периферийными устройствами ЭВМ,
средства организации мультипрограммного режима работы, средства защиты памяти, система прерываний и т.п.
Как было сказано выше, современная вычислительная машина состоит из совокупности операционных устройств, взаимодействующих друг с другом.
Под операционным устройством понимается устройство, выполняющее множество операций F над входными словами A с целью получения результата B (рисунок 1).
Заметим, что входные и выходные слова могут быть многоразрядными. В связи с этим применение теории конечных автоматов к синтезу ОУ затрудняется. Например, для синтеза ОУ, выполняющего всего одну операцию C(1:4):=C(1:4)+1 (четырехразрядного двоичного накапливающего счетчика), необходимо построить таблицу переходов автомата, содержащую 24 =16 строк. Для 32-разрядного счетчика таблица переходов будет иметь 232 строк. Если же ОУ выполняет несколько операций, то размер таблицы переходов будет еще большим, а сама таблица бесполезной для реализации.
У читывая вышесказанное, к синтезу ОУ применяется другой подход. ОУ рассматривается как совокупность двух взаимосвязанных устройств – операционного автомата (ОА) и управляющего автомата (УА) (рисунок 2) [1,2] .
ОА состоит из операционных элементов (ОЭ): двоичных сумматоров, счетчиков, сдвиговых регистров и.т.п., и предназначен для преобразования информации под воздействием управляющих сигналов {yi}, формируемых УА. ОА может сообщить УА о своем состоянии после выполнения того или иного действия осведомительными сигналами {xj}.
У А осуществляет управление преобразованием данных в ОА в соответствии с принципом микропрограммного управления, основополагающим принципом проектирования узлов вычислительной техники.
Принцип микропрограммного управления состоит в следующем: каждая сложная операция обработки данных (например, умножение двоичных чисел с фиксированной точкой) реализуется как микропрограмма.
Микропрограмма - это последовательность элементарных операций. Каждая i-ая элементарная операция инициируется соответствующим сигналом yi и выполняется ОА за один такт. Под тактом понимается время между двумя синхроимпульсами, синхронизирующими работу ОУ. Элементарные операции называются микрооперациями. Сигналы yi вырабатываются УА и называются управляющими сигналами или сигналами микроопераций.
Примеры микроопераций:
y1: P(1:n):=Q(1:n) - присвоение n-разрядному регистру P значения, хранящегося на n-разрядном регистре Q,
у2: С(1:k):= С(1:k)-1 - декрементирование содержимого k-разрядного счетчика C,
y3: P(1:n):= P(2:n).0 - сдвиг слова в регистре P на один разряд влево с доопределением освобождающегося правого разряда нулем.
Осведомительные сигналы xj вырабатываются ОА и характеризуют промежуточные результаты выполнения микропрограммы. Значение сигнала
xj Î{0,1}.
Примеры осведомительных сигналов:
x1= (P(1:n)=0) – сигнал х1=1, когда значение регистра P равно нулю, в противном случае х1=0 (для реализации сигнала х1 необходимо построить комбинационную схему, реализующую булеву функцию , где рi – выход i-го разряда регистра P),
x2 = p1 - осведомительный сигнал х2 снимается непосредственно с первого разряда регистра Р и равен значению этого разряда,
x3 = (Р(1:n)³Q(1:n)) – сигнал х3=1, когда двоичный код в регистре Р больше двоичного кода в регистре Q (такой осведомительный сигнал может быть реализован схемой сравнения кодов на больше, принципы построения цифровых компараторов (схем сравнения) рассмотрены ниже).
УА проверяет значение осведомительного сигнала хj после выполнения некоторой микрооперации и выдает в ответ на нулевое значение одну последовательность сигналов yi , а в ответ на единичное значение – другую. Таким образом, осуществляются разветвления в микропрограмме.
Разделив ОУ на УА и ОА, разработчики сосредоточили все множество алгоритмов обработки данных в УА, а операционные элементы, непосредственно выполняющие обработку данных в операционном автомате.
Принципы построения УА, реализующих заданную микропрограмму в шестом семестре.
Операционный автомат проектируется из типовых операционных элементов выбранной серии (триггеров, регистров, счетчиков, сумматоров, дешифраторов, мультиплексоров). При этом для обеспечения требуемой разрядности берется несколько одинаковых устройств (например, 24-разрядный счетчик можно собрать из шести включенных последовательно четырехразрядных счетчиков).
Если в справочнике отсутствует типовое решение для операционного элемента, например, нет счетчика, выполняющего дополнительно операцию сдвига, то операционный элемент может быть спроектирован одним из следующих способов:
комбинированием из существующих типовых операционных элементов;
синтезом схемы типового (i-го) разряда операционного элемента методами булевой алгебры и прикладной теории цифровых автоматов (ПТЦА) и обеспечением требуемой разрядности за счет дублирования схемы типового разряда (например, проектирование одного разряда счетчика методами ПТЦА - гораздо более простая операция, чем проектирование 32-разрядного счетчика).
Лабораторные работы преследуют цели изучения типовых схемных решений и приобретения навыков проектирования операционных элементов, изучения наиболее употребительных интегральных цифровых микросхем, а также приобретение опыта наладки и исследования схем дискретных устройств. Выполнение каждой лабораторной работы предусматривает внеаудиторную подготовку, выполнение работы в лаборатории и написание отчета. Для облегчения подготовки к лабораторной работе методические указания содержат ссылки на соответствующие литературные источники с указанием разделов, которые необходимо изучить перед выполнением лабораторной работы. После изучения (повторения) теоретического материала необходимо разработать схемы принципиальные электрические устройства в соответствии с индивидуальным заданием. Без такой подготовки студент к лабораторной работе не допускается.
В приложении для каждой лабораторной работе приводится последовательность разработки и принципиальная схема (типовая) для проектируемого операционного элемента. Студент, прежде чем приступить к разработке индивидуального задания, должен детально проанализировать предлагаемую схему.
В лаборатории необходимо собрать и отладить схемы на установке «Logic- Trigger». Описание установки приведено в разделе 10. Собирать схему необходимо при отключенном питании. Включать питание установки можно только с разрешения преподавателя, ведущего занятия. После наладки и исследования устройства необходимо продемонстрировать его работу преподавателю. При работе с установкой следует соблюдать правила техники безопасности, имеющиеся в лаборатории.
После выполнения лабораторной работы необходимо представить и защитить отчет. Отчет должен содержать следующие разделы:
Цель работы.
Постановка задачи.
Модель разрабатываемого операционного элемента.
Тесты для проверки работы операционного элемента.
Разработка принципиальной схемы операционного элемента.
Результаты наладки и тестирования схемы. В этом разделе должны быть приведены временные диаграммы, основные характеристики схем, последовательность и результаты испытания схемы.
Выводы
В процессе защиты работы студент должен продемонстрировать знание теоретического материала, умение проектировать, знание способов оптимизации схем с целью увеличения их быстродействия или упрощения структуры. Отчет о лабораторной работе должен быть представлен преподавателю на следующем после выполнения работы занятии.
Общий список литературы приведен в конце методических указаний. Для упрощения подготовки к выполнению лабораторных работ при каждой ссылке на источник указываются страницы текста, содержащие наиболее полную информацию по изучаемому вопросу.