| Содержание
1. Постановка задачи
2. Форматы команд и их кодировка
3. Структурная схема процессора
4. Регистры
5. АЛУ
6. Формат микрокоманд
7. Микрокод
8. Кодировка микрокода
9. Примеры выполнения команд
10. Основные сигналы и регистры процессора
11. Примеры программ
12. Определение производительности
Постановка задачи
Синтезировать структуру простого магистрального процессора с одним АЛУ, выполняющего 8 заданных команд. Разработать формат команд, кодировку команд. Разработать структурную схему процессора, функциональные схемы всех блоков процессора, функциональную схему процессора в целом с указанием всех шин и управляющих сигналов.
Разработать формат микрокоманд, организацию управления всеми устройствами процессора, микрокод для каждой из заданных команд. Привести примеры выполнения каждой команды с указанием значения всех основных сигналов и содержимого основных регистров на каждом такте. Привести 2 примера небольших программ с указанием значения основных сигналов и содержимого основных регистров на каждом такте.
Определить максимальную тактовую частоту процессора. Определить производительность процессора в операциях в секунду (IPS), а также выраженную в числе выполняемых тестовых программ в секунду. Указать способы повышения производительности процессора.
Характеристика процессора
Простой процессор магистрального типа с одноблочным универсальным АЛУ.
Разрядность регистров РОН и АЛУ процессора - 8 бит.
Число РОН - 4.
Адресуемая память - 256 слов.
Устройство управления - микропрограммное с ПЗУ микропрограмм.
Способ выполнения команд – последовательное выполнение или JMP или JC.
Адресация памяти - прямая.
Арифметика в дополнительном коде.
Вариант: 54 = «2 2 2 3»
Без использования непосредственной адресации.
3х-адресные команды.
Операции АЛУ: NOP, ADD + SHRA, NAND.
Состав команд: LD, ST, ADD, SHR + JC, DEC, SUB, NAND.
Форматы команд и их кодировка
Коды команд
| КОП
|
Команда
|
Действие
|
| 000
|
ADD Rx,Ry,Rz
|
Rx=Ry+Rz
|
сложение
|
| 001
|
NAND Rx,Ry,Rz
|
Rx=!(Ry&Rz)
|
И-НЕ
|
| 010
|
SHR Rx,Ry
|
Rx=Ry/2
|
арифметический сдвиг вправо
|
| 011
|
JC address
|
jmp on carry
|
условный переход по переносу
|
| 100
|
DEC Rx,Ry
|
Rx=Ry-1
|
декремент (уменьшение на 1)
|
| 101
|
SUB Rx,Ry,Rz
|
Rx=Ry-Rz
|
вычитание
|
| 110
|
LD Rx,address
|
Rx=Mem(address)
|
загрузка из ОЗУ в регистр
|
| 111
|
ST Ry,address
|
Mem(address)=Rx
|
запись из регистра в ОЗУ
|
Формат команд
| ADD Rx,Ry,Rz
|
| КОП
|
Rx
|
Ry
|
Rz
|
не используется
|
| 0
|
0
|
0
|
x
|
x
|
y
|
y
|
z
|
z
|
| NAND Rx,Ry,Rz
|
| КОП
|
Rx
|
Ry
|
Rz
|
не используется
|
| 0
|
0
|
1
|
x
|
x
|
y
|
y
|
z
|
z
|
| SHR Rx,Ry
|
| КОП
|
Rx
|
Ry
|
не используется
|
| 0
|
1
|
0
|
x
|
x
|
y
|
y
|
| JC address
|
| КОП
|
не использ.
|
address
|
| 0
|
1
|
1
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
| DEC Rx,Ry
|
| КОП
|
Rx
|
Ry
|
не используется
|
| 1
|
0
|
0
|
x
|
x
|
y
|
y
|
| Сокращения:
КОП – код команды
Rx – регистр приемник
Ry – регистр источник 1
Rz – регистр источник 2
address – 8-битный адрес
|
|
SUB Rx,Ry,Rz |
| КОП
|
Rx
|
Ry
|
Rz
|
не используется
|
| 1
|
0
|
1
|
x
|
x
|
y
|
y
|
z
|
z
|
| LD Rx,address
|
| КОП
|
Rx
|
не исп.
|
address
|
| 1
|
1
|
0
|
x
|
x
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
| ST Rx,address
|
| КОП
|
не исп
|
Ry
|
address
|
| 1
|
1
|
1
|
y
|
y
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
Структурная схема процессора
  
Регистры
| Номер
|
При записи (по шине С)
|
При чтении (по шине A и B)
|
| 000
|
0
|
Rg0
|
программно-доступные регистры
|
Rg0
|
программно-доступные регистры
|
| 001
|
1
|
Rg1
|
Rg1
|
| 010
|
2
|
Rg2
|
Rg2
|
| 011
|
3
|
Rg3
|
Rg3
|
| 100
|
4
|
Temp0
|
Temp0
|
| 101
|
5
|
PC
|
PC
|
| 110
|
6
|
IR_HI (старшая часть IR)
|
IR
|
константа 1
|
| 111
|
7
|
IR_LO (младшая часть IR)
|
IR_LO
|
При чтении старшей части регистра команд, на шину A или B поступает единичная константа (00000001). Это вполне допустимо, т.к. старшая часть регистра команд имеет свои выходы из блока регистров: (КОП, Rx, Ry, Rz). Младшая часть регистра команд поступает на шины A или B в неизменном виде, т.к. в некоторых командах процессора в младшей части регистра команд находиться 8-битный адрес. Единичная константа применяется при инкрементировании счетчика команд, а также для получения константы -1 = 11111111 (см. микрокод для команды DEC).
Разрядность РОН (регистры общего назначения) – 8 бит
Разрядность PC (program counter) – 8 бит
Разрядность IR (регистр команд) – 16 бит (доступно два регистра по 8 бит)
АЛУ
Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на рисунке. В состав АЛУ входят регистры Рг1 - Рг7, в которых обрабатывается информация , поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2, ...NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.
Закон переработки информации задает микропрограмма , которая записывается в виде последовательности микрокоманд A1,A2, ..., Аn-1,An. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (на рис. 1 микрокоманды A1,A2,..., Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимости от результата вычислений: признак переполнения, признак отрицательного числа, признак равенства 0 всех разрядов числа др. На рис. 1 эти микрокоманды обозначены р1, p2,..., рm.
Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, ...,уs, в ОЗУ.
Функции регистров, входящих в АЛУ:
Рг1 - сумматор (или сумматоры) - основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;
Рг2, РгЗ - регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции);
Рг4 - адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата;
Ргб - k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;
Рг7 - i вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.
Формат микрокоманд
| MIR – Microinstruction register – регистр микрокоманд (24 bit)
|
| A
|
A MUX
|
B
|
B MUX
|
C
|
C MUX
|
RD
|
WR
|
ALU
|
COND
|
JMP ADDRESS
|
A, B, C – номер регистра для осуществления чтения (A, B) или записи (C)
A MUX, B MUX, C MUX – откуда брать номер регистра
(0 – из команды IR, 1 – из микрокоманды MIR)
RD – чтение из ОЗУ
При этом адрес памяти берется с шины А, а результат подается на шину С
WR – запись в ОЗУ
При этом адрес памяти берется с шины А, а данные - с шины B
ALU – код операции АЛУ
| КОП АЛУ
|
Операция АЛУ
|
| 00
|
NOP
|
| 01
|
ADD
|
| 10
|
SHRA
|
| 11
|
NAND
|
COND – условие для определения адреса следующей выполняемой микрокоманды
| COND
|
Куда переходим
|
| 00
|
NEXT
|
на следующую микрокоманду
|
| 01
|
DECODE
|
декодирование команды, Address = [KOP]100
|
| 10
|
JMP
|
безусловный переход
|
| 11
|
JC
|
условный переход по переносу (Carry Flag)
|
JMP ADDRESS – адрес в памяти микропрограмм, куда осуществляется переход
Микрокод
| Адрес
|
Микрокоманда
|
Пояснение
|
| 0
1
2
3
|
IR_HI = NOP(PC); READ
PC = ADD(PC, IR_HI)
IR_LO = NOP(PC); READ
DECODE
|
чтение старшего слова команды
переход к следующему слову (PC = PC + 1)
чтение младшего слова команды
декодирование считанной команды
|
| ADD Rx, Ry, Rz
|
| 4
|
Rx = ADD(Ry, Rz); JMP 62
|
сложение содержимого регистров
|
| NAND Rx, Ry, Rz
|
| 12
|
Rx = NAND(Ry,Rz); JMP 62
|
И-НЕ для содержимого регистров
|
| SHR Rx, Ry
|
| 20
|
Rx = SHR(Ry); JMP 62
|
арифметич. сдвиг содержимого регистра
|
| JC address
|
| 28
29
30
|
Temp0 = NOP(Temp0); JC 30
JMP 62
PC = NOP(IR_LO); JMP 0
|
организация условного перехода
если условие не выполнилось, то завершить
иначе записать в PC новый адрес из IR_LO
|
| DEC Rx, Ry
|
| 36
37
38
|
Temp0 = SHR(IR_HI)
Temp0 = NAND(Temp0, Temp0)
Rx = ADD(Ry,Temp0); JMP 62
|
Temp0 = 0 (00000001 - 00000000)
Temp0 = -1 (11111111)
Rx = Ry + Temp0 = Ry + (-1)
|
| SUB Rx, Ry, Rz
|
| 44
45
46
47
48
|
Temp0 = SHR(IR_HI)
Temp0 = ADD(Temp0, Rz)
Temp0 = NAND(Temp0, Temp0)
Temp0 = ADD(Temp0, IR_HI)
Rx = ADD(Ry, Temp0); JMP 62
|
Temp0 = 0 (00000001 - 00000000)
Temp0 = 0 + Rz = Rz
инвертировать Temp0 = Rz
Temp0 = ( ! Rz) + 1
Rx = Ry + (-Rz)
|
| LD Rx, address
|
| 52
|
Rx = NOP(IR_LO); READ; JMP 62
|
чтение из ОЗУ (шина A – адрес)
|
| ST Ry, address
|
| 60
61
|
Temp0 = NOP(Ry)
Temp0 = NOP(IR_LO, Temp0); WRITE; JMP 62
|
Temp0 = Ry (данные на шину B)
запись в ОЗУ
(шина A – адрес, шина B - данные)
|
| End:
|
| 62
|
PC = ADD(PC, IR_HI); JMP 0
|
увеличение счетчика команд (PC=PC+1)
|
Кодировка микрокода
DEPTH = 64; % количество слов %
WIDTH = 24; % размер слова в битах %
ADDRESS_RADIX = DEC; % система счисления для адреса %
DATA_RADIX = BIN; % система счисления для данных %
CONTENT
BEGIN
[0..63] : 0; % по умолчанию везде нули %
% Инициализация %
0: 101100011101100000000000; % IR_HI = NOP(PC); READ %
1: 101111011011000100000000; % PC = ADD(PC, IR_HI) %
2: 101100011111100000000000; % IR_LO = NOP(PC); READ %
3: 000100011001000001000000; % DECODE %
% ADD Rx, Ry, Rz %
4: 000000000000000110111110; % Rx = ADD(Ry, Rz); JMP 62 %
% NAND Rx, Ry, Rz %
12: 000000000000001110111110; % Rx = NAND(Ry,Rz); JMP 62 %
% SHR Rx, Ry %
20: 000000000000001010111110; % Rx = SHR(Ry); JMP 62 %
% JC address %
28: 100110011001000011011110; % Temp0 = NOP(Temp0); JC 30 %
29: 100110011001000010111110; % JMP 62 %
30: 111110011011000010000000; % PC = NOP(IR_LO); JMP 0 %
% DEC Rx, Ry %
36: 110100011001001000000000; % Temp0 = SHR(IR_HI) %
37: 100110011001001100000000; % Temp0 = NAND(Temp0, Temp0) %
38: 000010010000000110111110; % Rx = ADD(Ry,Temp0); JMP 62 %
% SUB Rx, Ry, Rz %
44: 110100011001001000000000; % Temp0 = SHR(IR_HI) %
45: 100100001001000100000000; % Temp0 = ADD(Temp0, Rz) %
46: 100110011001001100000000; % Temp0 = NAND(Temp0, Temp0) %
47: 100111011001000100000000; % Temp0 = ADD(Temp0, IR_HI) %
48: 000010010000000110111110; % Rx = ADD(Ry, Temp0); JMP 62 %
% LD Rx, address %
52: 111100010000100010111110; % Rx = NOP(IR_LO); READ; JMP 62%
% ST Ry, address %
60: 000000011001000000000000; % Temp0 = NOP(Ry) %
61: 111110011001010010111110; % Temp0 = NOP(IR_LO, Temp0);
WRITE; JMP 62 %
62: 101111011011000110000000; % PC = ADD(PC, IR_HI); JMP 0 %
END ;
Примеры выполнения команд
Примеры выполнения каждой команды с указанием значения всех основных сигналов и содержимым основных регистров на каждом такте выполнения приведены на электронном носителе.
Основные сигналы и регистры
| Сокращение
|
Примечание
|
| CLOCK
|
синхронизирующий сигнал
|
| C_SEL[2..0]
|
номер регистра выбранного в качестве приемника
|
| A_SEL[2..0]
|
номер регистра выбранного в качестве источника 1
|
| B_SEL[2..0]
|
номер регистра выбранного в качестве источника 2
|
| Rx[2..0]
|
номер регистра приемника из IR (регистра команд)
|
| Ry[2..0]
|
номер регистра источника 1 из IR (регистра команд)
|
| Rz[2..0]
|
номер регистра источника 2 из IR (регистра команд)
|
| MIR_A[2..0]
|
номер регистра приемника из MIR (р-ра микрокоманд)
|
| MIR_B[2..0]
|
номер регистра источника 1 из MIR (р-ра микрокоманд)
|
| MIR_C[2..0]
|
номер регистра источника 2 из MIR (р-ра микрокоманд)
|
| AMUX
|
Откуда брать номер регистра (0 – из IR, 1 – из MIR)
Эти сигналы управляют соответствующими мультиплексорами.
|
| BMUX
|
| CMUX
|
| A_bus[7..0]
|
Данные на шинах источниках, выходящих из блока регистров
|
| B_bus[7..0]
|
| C_ALU[7..0]
|
Результат выходящий из АЛУ
|
| C_RAM[7..0]
|
Данные, считанные из ОЗУ
|
| C_bus[7..0]
|
Выбранные данные для записи (С_ALU или C_RAM)
|
| RD
|
сигнал чтения из ОЗУ
|
| WR
|
сигнал записи в ОЗУ
|
| KOP_ALU[1..0]
|
код операции АЛУ (поступает из MIR)
|
| COND[1..0]
|
определение следующей микрокоманды (из MIR)
|
| CBL_SEL[1..0]
|
результат работы Control Branch Logic (логика управления ветвлением) – определяет следующую микрокоманду
|
| CF
|
флаг переноса, поступающий из АЛУ в Control Branch Logic
|
| JMP_ADR[5..0]
|
адрес следующей микрокоманды (из MIR)
|
| MIR[23..0]
|
полное значение регистра микрокоманд (24 бит)
|
| PC
|
программный счетчик (адрес в ОЗУ)
|
Примеры программ
ПРИМЕР 1
DEPTH = 256; % Memory depth and width are required %
WIDTH = 8; % Enter a decimal number %
ADDRESS_RADIX = DEC; % Address and value radixes are optional %
DATA_RADIX = BIN; % Enter BIN, DEC, HEX, or OCT; unless %
CONTENT
BEGIN
%-------------------%
0: 11001000; % LD Rg1, [6] %
1: 00000110;
2: 11010000; % LD Rg2, [7] %
3: 00000111;
4: 00011011; % ADD Rg3, Rg1, Rg2 %
5: 00000000;
6: 00010110; % const 22 (DEC) %
7: 00100001; % const 33 (DEC) %
END ;
ПРИМЕР 2
DEPTH = 256; % Memory depth and width are required %
WIDTH = 8; % Enter a decimal number %
ADDRESS_RADIX = DEC; % Address and value radixes are optional %
DATA_RADIX = BIN; % Enter BIN, DEC, HEX, or OCT; unless %
CONTENT
BEGIN
%-----------------%
0: 11001000; % LD Rg1, [10] %
1: 00001010;
2: 01010010; % SHR Rg2, Rg1 %
3: 00000111;
4: 01100000; % JC 8 %
5: 00001000;
6: 10010010; % DEC Rg2, Rg1 %
7: 00000000;
8: 11100010; % ST Rg1, [10] %
9: 00001010;
10: 00000001; % const = 1 %
END ;
Значения основных сигналов и содержимое основных регистров на каждом такте выполнения данных примеров программ приведены в виде временных диаграмм на электронном носителе.
Определение производительности
Среднее количество микрокоманд при выполнении команды процессора можно приблизительно оценить как 4 + 17/8 + 1 = 7 микрокоманд на команду процессора. Таким образом, при максимальной тактовой частоте в 33,3 МГц средняя производительность процессора составит 4, 7 MOPS (или 33,3 М μops / сек).
| Тестовая программа
|
Количество команд процессора
|
Количество микрокоманд
|
Время выполнения, нс
|
N / сек
|
| ПРИМЕР 1
|
3
|
18
|
540
|
1851851
|
| ПРИМЕР 2
|
5
|
34
|
1020
|
980398
|
Повысить производительность процессора можно одним из следующих способов:
- Увеличить разрядность шины-приемника с 8 до 16 бит, и считывать команду из ОЗУ не за три такта, а за один;
- Увеличить функциональность АЛУ, при этом можно будет сократить длину микрокода для некоторых команд (особенно для SUB и DEC);
- Перейти от микропрограммного управления к управлению на основе жесткой логики;
- Применить конвейеризацию;
- Что-нибудь распараллелить.
|