8 Проектирование операционного автомата арифметико-логического устройства

После проектирования отдельных алгоритмов арифметических и логических операций составим обобщенный алгоритма АЛУ (схема схеме КП 230101.010.017.071.002 ТЧ). Он составляется путем объединения частных алгоритмов выполнения отдельных арифметических и логических операций. На основании обобщенного алгоритма АЛУ составим список микроопераций МПА устройства управления нижнего уровня. Обозначим множество его входных сигналов (логических условий) через Х = {х1, х2, …, х3}, а множество его выходных (управляющих) сигналов – через У = {у1, у2, …, у3}. Список микроопераций и логических условий УУ нижнего уровня представлен в приложении 17.

После разработки обобщенного алгоритма АЛУ, разметки его, кодирования микроопераций и логических условий можно построить функциональную схему операционного автомата АЛУ (приложение 18).

9 Проектирование устройств управления процессора и алу двухступенчатой организации процесса управления

Функции управления ходом вычислительного процесса, обеспечивая автоматическое выполнение команд программы, реализует устройство управления (УУ) вычислительной машины.

Элементарные преобразова­ния информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации блока УУ, называются микрооперациями (МО). Совокупность сигналов управления, вызываю­щих одновременно выполняемые микрооперации, образует микрокоманду (МК). В свою очередь, последовательность микрокоманд, определяющую содержание и порядок шагов при реализации машинного цикла, принято называть микропрограммой. Сиг­налы управления вырабатываются устройством управления, а точнее, основным его узлом – микропрограммным автоматом (МПА).

Процесс управления исполнением команд при проектировании процессора целесообразно представлять в виде двухступенчатой иерархической структуры управляющих автоматов, состоящей из ведущего устройства управления процессором (УУпр) и ведомых (подчиненных) автоматов: устройства управления АЛУ (УУ АЛУ) и контроллера кэш-памяти (рисунок 5).

Рисунок 5 – Двухступенчатая структура процесса управления

9.1. Проектирование управляющего автомата устройства управления процессора

По заданию необходимо спроектировать автомат с программируемой логикой. Особенностью микропрограммного автомата с программируемой логикой является хранение микрокоманд в виде кодов в памяти микропрограмм. Каждой команде ВМ в этом ЗУ в явной форме соответствует микропрограмма, поэтому часто устройства уп­равления, в состав которых входит микропрограммный автомат с программируе­мой логикой, называют микропрограммными.

Для разработки автомата будем использовать список микрокоманд и логических условий из таблицы приложения 15. Закодируем все логические условия и микрооперации двоичным кодом. Для этого разобьем множество микроопераций на 7 непересекающихся подмножеств. Получим:

Y₁ = {y₀, y₇, y₁₄, y₂₁, y₂₈, y₃₅, y₄₂, y₄₉, y_56, y_63, y₇₀}

Y₂ = {y₁, y₈, y₁₅, y₂₂, y₂₉, y₃₆, y₄₃, y₅₀, y_57, y_64, y₇₁}

Y₃ = {y₂, y₉, y₁₆, y₂₃, y₃₀, y₃₇, y₄₄, y₅₁, y_58, y_65, y₇₂}

Y₄ = {y₃, y₁₀, y₁₇, y₂₄, y₃₁, y₃₈, y₄₅, y₅₂, y_59, y_66, y₇₃}

Y₅ = {y₄, y₁₁, y₁₈, y₂₅, y₃₂, y₃₉, y₄₆, y₅₃, y_60, y_67, y₇₄}

Y₆ = {y₅, y₁₂, y₁₉, y₂₆, y₃₃, y₄₀, y₄₇, y₅₄, y_61, y₆₈}

Y₇ = {y₆, y₁₃, y₂₀, y₂₇, y₃₄, y₄₁, y₄₈, y_55, y_62, y₆₉}

Множество логических условий содержит 32 лементов

X = {x₀, x₁, x₂, x₃, x₄, x₅, x₆, x₇, x₈, x₉, x₁₀, x₁₁, x₁₂, x₁₃, x₁₄, x₁₅, x₁₆, x₁₇, x₁₈, x₁₉, x₂₀, x₂₁, x₂₂, x₂₃, x₂₄, x₂₅, x₂₆, x₂₇, x₂₈, x₂₉, x₃₀, x₃₁, x₃₂}

Для кодирования микроопераций в каждом из подмножеств необходимо использовать по четыре бита. Соответствующие таблицы кодирования микроопераций и логических условий приведены в таблицах 4 и 5

Таблица 4 – Кодирование микроопераций

Код микрооперации	Подмножества микроопераций
	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7
0000	—	—	—	—	—	—	—
0001	y0	y1	y2	y3	y4	y5	y6
0010	y7	y8	y9	y10	y11	y12	y13
0011	y14	y15	y16	y17	y18	y19	y20
0100	y21	y22	y23	y24	y25	y26	y27
0101	y28	y29	y30	y31	y32	y33	y34
0110	y35	y36	y37	y38	y39	y40	y41
0111	y42	y43	y44	y45	y46	y47	y48
1000	y49	y50	y51	y52	y53	y54	y55
1001	y56	y57	y58	y59	y60	y61	y62
1010	y63	y64	y65	y66	y67	y68	y69
1011	y70	y71	y72	y73	y74	—	—

Таблица 5 – Кодирование логических условий

Коды условий	X	Коды условий	X	Коды условий	X
000000	x0	000001	x1	000010	x2
000011	x3	000100	x4	000101	x5
000110	x6	000111	x7	001000	x8
001001	x9	001010	x10	001011	x11
001100	x12	001101	x13	001110	x14
001111	x15	010000	x16	010001	x17
010010	x18	010011	x19	010100	x20
010101	x21	010110	x22	010111	x23
011000	x24	011001	x25	011010	x26
011011	x27	011100	x28	011101	x29
011110	x30	011111	x31	100000	x32

На основании кодированного списка условий и микроопераций проектируем форматы микрокоманд (рисунок 6, 7)

Рисунок 6 – Формат операторных микрокоманд

Рисунок 7 – Формат микрокоманд переходов

В ПЗУ хранится два типа микрокоманд: операторные микрокоманды (рисунок 6) и микрокоманды перехода (рисунок 7). Обе микрокоманды дополнены до значения 31, как для ближайшей степени числа 2. Микрокоманды перехода предназначены для передачи управления по адресу «Адрес перехода 1», если условие X истинно, или по адресу «Адрес перехода 2» в том случае, если данное условие ложно.

В соответствии с выбранными форматами микрокоманд составляется функциональная схема МПА (схема приложения 19) на основе программируемой логики