Проектирование процессорного модуля как независимого устройства, которое может выполнять два заданных действия над операндами. Порядок и принципы, главные этапы разработки схемы устройства, отвечающего требованиям к системам обработки информации.
Согласно полученного задания необходимо реализовать процессорный модуль, выполняющий алгоритмы следующих действий: умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная с младших разрядов множителя, преобразование двоично-десятичного числа в двоичное. Для выполнения поставленной задачи необходимо объединить две ГСА, т. к. проектируемый процессорный модуль должен выполнять две операции. Для выбора одной из операций в объединенную ГСА, которая изображена на рисунке 1.4 добавлена условная вершина, проверяющего состояние регистра COP (code of operation). В общем виде структура ОА представлена на рисунке 2.1, где Ф - комбинационные схемы, выполняющие преобразование, S - память, ? - комбинационные схемы, формирующие осведомительные сигналы. Определим микрооперации, выполняемые М-автоматом: Таблица 2.1 - Операции для М-автоматаРезультатом выполнения курсового проекта является процессорный модуль, состоящий из операционного М-автомата и управляющего автомата с жесткой логикой типа Мили, и выполняющий действия, согласно заданию: умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная со старших разрядов множителя и умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная с младших разрядов множителяy: in STD_LOGIC_VECTOR (13 downto 1); d1: in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0); signal CF: STD_LOGIC_VECTOR (8 downto 0); signal C, Arg1, Z: STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0); сигнал Cnt - счетчик begin process (clk, rst) is begin if rst="0" thenentity ua_mili is port (clk: in STD_LOGIC; - вход синхронизации rst: in STD_LOGIC; - вход сброса x: in STD_LOGIC_VECTOR (4 downto 1); - входы логических условий y: out STD_LOGIC_VECTOR (13 downto 1) - выходы микроопераций end ua_mili; begin process (clk, rst) is - функция переходов begin if rst="0" then state<=a0; elsif rising_edge(clk) then case state is when a0=>state<=a1; process(state) is - функция выходов begin y<= «0000000000000»;d1: in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0); d2: in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0); r:out STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0) компонент - операционный автомат типа М component OA_M is port (clk, rst: in STD_LOGIC; сигналы, которыми обмениваются ОА и УА.
Введение
Процессорный модуль представляет собой функционально законченное устройство со встроенной функцией отладки целевого программного обеспечения. Он содержит разъемы, на которые выведены все контакты микропроцессора. Процессорный модуль обеспечивает корректный старт и инициализацию микропроцессора после аппаратного сброса. Он может функционировать под управлением инструментального компьютера или без него. Взаимодействие инструментального компьютера и процессорного модуля осуществляется посредством отладочного интерфейса.
Модуль не содержит ничего необычного для микропроцессорной системы и использует только те свойства микропроцессора, которые являются общими для большинства из них. Благодаря этому достигается независимость структуры модуля от выбора микропроцессора. Разработчику предлагается строить целевую микропроцессорную систему на основе процессорного модуля со встроенными функциями отладки и начальной загрузки.
Метод проектирования микропроцессорной системы с использованием отладочного процессорного модуля позволяет ускорить и удешевить процесс разработки целевой системы. Использование метода позволяет обойтись без затрат связанных с приобретением внутрисхемного эмулятора, эмулятора ПЗУ и программной модели микропроцессора, упростить технологию разработки и отладки частей целевой системы связанных непосредственно с микропроцессором. Пользователь приобретает сразу часть целевой системы со встроенными функциями отладки и диагностики.
В процессе выполнения данного курсового проекта будет осуществлено проектирование процессорного модуля - независимого устройства, которое может выполнять два заданных действия над операндами. Результатом проекта будет схема устройства, отвечающего требованиям к системам обработки информации.
1. Анализ задания процессорный модуль обработка информация
Электронная система, реализующая сложный алгоритм обработки данных, может быть условно разделена на две функционально связанные подсистемы - управляющий и операционный автомат. Взаимодействие двух этих подсистем приведено на рис. 1.1.
Рисунок 1.1 - Декомпозиция электронной системы на операционный и управляющий автомат
Управляющий автомат определяет порядок реализации вычислительных операций и отображает граф-схему функционирования электронной системы. Входной информацией для управляющего автомата является множество осведомительных сигналов {X} и множество внешних флагов ветвления {F}, результатом функционирования - множество признаков выполняемых микроопераций {Y}.
Операционный автомат осуществляют вычислительные действия над операндами. Структурно операционный автомат состоит из элементов памяти (регистров), осуществляющих хранение значений операндов, и комбинационных схем, отвечающих за выполнение микроопераций. Входной информацией для операционного автомата являются линии данных {D} и множество выполняемых в данном такте микроопераций {Y}, выходами являются линии результата {R} и выработанные признаки результата {X}, используемые в управляющем автомате.
Согласно полученного задания необходимо реализовать процессорный модуль, выполняющий алгоритмы следующих действий: умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная с младших разрядов множителя, преобразование двоично-десятичного числа в двоичное.
На рисунках 1.2 и 1.3 приведены ГСА действий, которые должен выполнять проектируемый процессорный модуль.
Рисунок 1.2 - Умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная с младших разрядов множителя
Рисунок 1.3 - Умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная со старших разрядов множителя
Для выполнения поставленной задачи необходимо объединить две ГСА, т. к. проектируемый процессорный модуль должен выполнять две операции. Для выбора одной из операций в объединенную ГСА, которая изображена на рисунке 1.4 добавлена условная вершина, проверяющего состояние регистра COP (code of operation). Данные в СОР являются, как и операнды, входной информацией для проектируемого процессорного модуля.
В объединенной ГСА относительно исходных алгоритмов была изменена операция обнуления регистра С. Обнуление младших восьми разрядов регистра было изменено на обнуление всех разрядов, т. к. это при проектировании управляющего автомата позволит сократить количество признаков выполняемых микроопераций {Y}. С той же целью была создана общая для обеих ГСА вершина вывода результата.
Таким образом, при проектировании процессорного модуля необходимо использовать объединенную ГСА, описывающую алгоритмы выполнения предусмотренных действий. Процессорный модуль будет логически разбит на две подсистемы - ОА и УА, которые будут проектироваться как независимые устройства.
Рисунок 1.4 - Общая ГСА
2. Проектирование операционного автомата
2.1 Общие вопросы функционирования операционных атоматов
Функции ОА сводятся к вводу-выводу и хранению слов информации, выполнению микроопераций и вычислению логических условий. Чтобы реализовать эти действия, необходим набор элементов, достаточный для построения структур с заданными функциями. Такой набор элементов называется структурным базисом ОА.
Основными операционными элементами, используемыми в ОА, являются: - управляемые шины, обеспечивающие передачу информации;
- регистры;
- комбинационные схемы, используемые для выполнения преобразований и формирования логических условий.
В общем виде структура ОА представлена на рисунке 2.1, где Ф - комбинационные схемы, выполняющие преобразование, S - память, ? - комбинационные схемы, формирующие осведомительные сигналы.
Рисунок 2.1 - Общая структура ОА процессорный модуль обработка информация
2.2 Структурная организация М-автоматов
Согласно заданию, ОА для проектируемого процессорного модуля должен быть типа М. М-автоматом называется такой ОА, который синтезируется на основе принципа обобщения комбинационных схем, используемых для выполнения всех микроопераций. М-автомат имеет наименьшие аппаратные затраты, однако недостатком М-автомата является то, что он не может выполнять больше одной микрооперации преобразования за один такт работы. Следовательно, производительность М-автомата невысока.
Принцип обобщения комбинационных схем обуславливает структуру автомата, представленную на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 - Обобщенная структура ОА типа М
В такой структуре микрооперации, связанной с преобразованием yp: Sk: ?m (Si, Sj), ставится в соответствие следующий набор операторов: ai: A1:=Si;
bi: A2:=Sj;
?m: z:= ?m (A1, A2);
dk: Sk: =z;
yp= {ai, bi, ?m, dk}.
2.3 Проектирование М-автомата
Разработка структуры М-автомата подразумевает выполнение следующих этапов: 1. Для автомата выберем регистры, которые будут хранить результаты микроопераций: A (7:0), B (7: 0), C (15: 0), CNT (3:0), COP.
2. Распределим регистры по двум шинам А1 и А2: Arg1 = {C}, Arg1 (15: 0);
Arg2 = {A, B}, Arg2 (7: 0).
3. Определим микрооперации, выполняемые М-автоматом: Таблица 2.1 - Операции для М-автомата
Y Микрооперация Arg1 Arg2 Z Результат y1 A (7:0):=D1 - - A:=D1 y2 B (7:0):=D2 - - B:=D2 y3 C (15:0):=0 - - C:=0 y4 CNT (3:0):=8 - - CNT:=8 y5 COP:=D3 - - COP:=D3 y6 C (15:0):=C (15:0) A (7:0) C A Z=Arg1 (15:0) Arg2 (7:0) C:=Z y7 B (7:0):=R1 (C(0).B (7:1)) C B Z=R1 (Arg1 (0).Arg2 (7:1)) B:=Z y8 C (7:0):=R1 (CF.C (7:1)) C - Z=R1 (CF. Arg1 (7:1)) C:=Z y9 CNT:=CNT-1 - - CNT:=CNT-1 y10 R (15:0):=C (7:0).B (7:0) - - R:=C y11 C (15:0):=L1 (C(14:0).0) C - Z=L1 (Arg1 (14:0).0) C:=Z y12 B (7:0):=L1 (B(6:0).0) - B Z=L1 (Arg2 (6:0).0) B:=Z y13 R (15:0):=C (15:0) - - R:=C
4. Выделим классы эквивалентных микроопераций и найдем для них обобщенные микрооператоры:
5. Построим схему М-автомата уровня регистровых передач:
Рисунок 2.3 - Схема М-автомата уровня регистровых передач
3. Проектирование управляющего автомата
3.1 Общие вопросы функционирования устройств управления с жесткой логикой
Под УУ понимается совокупность блоков и узлов процессора, обеспечивающих координированные работы всех устройств ЭВМ и управление ими для всех принятых режимов.
УУ, реализуя программы, организовывают все необходимые действия по приему, оценке и преобразованию исходной информации с целью получения и выдачи необходимых результатов. Т. о. УУ может считаться преобразованием первично-командной информации, представленной командами системы, во вторично-командную информацию, представленную формируемыми УУ, исполнительными адресами, кодами и управляющего сигнала, воздействие которых на соответствующие узлы и блоки приводит к выполнению заданных операций.
Последовательность выполнения программы: выбор команды из ОП декодирование операций определение исполнительных адресов операндов выборка операндов в кэш выполнение операций загрузка результатов в память
Рисунок 3.1 - Общая структура УУ
БУК осуществляет хранение считанной из памяти команды и формирует адреса следующей команды. Считывание из памяти очередной команды, преобразование адресной и операционной частей команды осуществляет БУО.
Для выработки синхронизирующих сигналов и согласования работы БУК и БУО используется БМУ.
При использовании «жесткой» логики УА строятся из разрозненных комбинационных схем и элементов памяти. Закон функционирования УА определяется порядком соединения элементов между собой.
Основными элементами, с помощью которых могут быть построены УА, являются: 1 Элементы задержки (D-триггер)
2 Распределители сигналов (сдвигающие регистры)
3 Как цифровой автомат
3.2 Уточненная граф-схема алгоритма
Для проектирования управляющего автомата необходимо использовать уточненную ГСА, которая учитывает тип операционного автомата.
Преобразование объединенной ГСА в уточненную включает следующие действия: 1. замена микроопераций их условными обозначениями yi;
2. разделение операционных вершин с n микрооперациями преобразования на n операционных вершин, т. к. ОА типа М не может выполнять больше одной микрооперации преобразования за один такт работы;
3. разметка состояний управляющего автомата по правилам: Состояние после «начала» и перед «концом» должно иметь метку
Состояние после каждой операторной вершины должно иметь метку
Рисунок 3.2 - Уточненная (размеченная) ГСА
3.3 Проектирование управляющего автомата с жесткой логикой
Разработка структуры УА подразумевает выполнение следующих этапов: По размеченной ГСА строится граф переходов алгоритма:
Рисунок 3.3 - Граф переходов управляющего автомата
Далее необходимо синтезировать функции переходов и выходов с помощью структурной таблицы переходов. Перед этим необходимо закодировать состояния, в зависимости от количества входов в каждое состояние: Таблица 3.1 - Кодирование состояний
Из данной таблицы можно получить следующие зависимости: - для дешифратора состояний: - для функций выхода
- для функции возбуждения триггеров
Построим схему УА уровня регистровых передач: Согласно обобщенной структуре управляющего автомата для построения схемы используются следующие элементы: - Т-триггер
- DC - декодирующее устройство, преобразующее позиционный двоичный код;
- MX - мультиплексор, выбирающий одно из проверяемых логических условий;
Рисунок 3.4 - Схема УА уровня регистровых передач
4. Проектирование процессорного модуля
Согласно декомпозиции процессорного модуля, представленной на рисунке 1.1, проектирование заключалось в выполнении двух этапов: проектирование операционного устройства и управляющего автомата.
Очевидно, что полученный процессорный модуль является соединением двух отдельных устройств - ОА и УА. На входы всего процессорного модуля подаются операнды (D1, D2), условие выбора операции (СОР или D3) и управляющие сигналы (Clk, Start, Stop, Reset). Внутреннее взаимодействие между ОА и УА заключается во взаимопередаче сигналов: ОА генерирует значения вычисленных логических условий {X} на каждом такте, УА формирует сигналы выполнения необходимых на данном такте микроопераций {Y}. Также операционное устройство формирует результат выполнения заданного значением регистра СОР действия, который подается на выходную шину R.
Помимо схем ОА и УА уровня регистровых передач результатом выполнения курсового проекта являются тексты VHDL-моделей управляющего устройства, операционного автомата и процессорного модуля. VHDL-модель процессорного модуля включает в себя в качестве компонентов модели ОА и УА.
5. Анализ результатов синтеза
В результате автоматизированного синтеза были получены модели операционного автомата, управляющего устройства и всего процессорного модуля. Оценить работу разработанных компонентов можно с помощью полученных временных диаграмм, построенных в среде проектирования.
5.1 Тестирование VHDL-модели операционного устройства
После разработки VHDL-модели ОА была получена временная диаграмма работы устройства, представленная на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 - Временная диаграмма работы VHDL-модели ОА
Моделирование работы ОА осуществлялось при подаче на входы устройства входных данных (d1, d2, d3), текущей микрокоманды и сигналов синхронизации (clk) и асинхронного сброса (rst). В результате моделирования и отладки был сделан вывод о соответствии работы устройства требованиям к ОА. (Текст VHDL-модели операционного автомата - в приложении 1).
5.2 Тестирование VHDL-модели управляющего устройства
После разработки VHDL-модели УА была получена временная диаграмма работы устройства, представленная на рисунке 5.2.
Рисунок 5.2 - Временная диаграмма работы VHDL-модели УА
Для моделирования работы управляющего устройства на входы устройства были поданы сигналы синхронизации (clk) и асинхронного сброса (rst) а также значения вычисленных операционным автоматом логических условий. (Текст VHDL-модели управляющего автомата - в приложении 2).
Моделирование работы устройства осуществлялось по стратегии обхода всех дуг. В результате моделирования был сделан вывод о работоспособности модели, т. к. во всех состояниях УА в качестве выходного вектора подавались сигналы микроопераций, соответствующие отмеченным в уточненной ГСА.
5.3 Тестирование VHDL-модели процессорного модуля
После разработки VHDL-модели УА были получены временные диаграммы выполнения двух действий, представленные на рисунках 5.3 и 5.4. Для моделирования на входы модели процессорного модуля были поданы данные для выполняемого действия (d1, d2 - операнды; d3 - код выполняемой операции). Результат выполнения операции был получен на выходной шине r.
Рисунок 5.3 - Умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная с младших разрядов множителя
Проверка результатов моделирования работы, представленных на рисунке 5.3: 28 * 10 = 280, или 00011100 * 00001010 =100011000.
При моделировании получен верный результат.
Рисунок 5.4 - Умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная со старших разрядов множителя
При моделировании получен верный результат.
Вывод
Результатом выполнения курсового проекта является процессорный модуль, состоящий из операционного М-автомата и управляющего автомата с жесткой логикой типа Мили, и выполняющий действия, согласно заданию: умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная со старших разрядов множителя и умножение целых двоичных беззнаковых чисел, начиная с младших разрядов множителя
Исходными данными к проектированию были граф-схемы алгоритмов заданных действий, типы ОА и УА и разрядность операндов.
При выполнении курсового проекта были получены знания по организации и функционированию сложных цифровых систем обработки информации, получены практические навыки по проектированию процессорного модуля с использованием языка VHDL.
В результате анализа автоматизированного синтеза устройств можно сделать вывод о правильном и полном выполнении задания к курсовому проектированию, т. к. разработанный процессорный модуль правильно выполняет предусмотренные заданием действия.
Список литературы
1. Кораблев Н.М. - Конспект лекций по дисциплине «Компьютерная схемотехника» - Харьков, 2010 г.
2. Кораблев Н.М., Саранча С.Н., Саранча О.Н. - Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Компьютерная схемотехника»: Часть 2 «Проектирование сложных систем» - Харьков: ХНУРЭ, 2006 г.
3. Бибило П.Н. Синтез логических схем с использованием языка VHDL. - М.: СЛОН-Р, 2002. - 384 с.
