Міністерство освіти України

Дніпропетровський Національний Університет

Радіофізичний факультет

Кафедра ЭОМ

Курсовий проект по курсу «Цифрові ЭОМ»

Виконав:

ст. гр. РІ-97-1

          Орлов С.А.

Перевірив:

Істушкін В. Ф.

Дніпропетровськ

2000

ЗМІСТ

1. Вступ

2. Завдання

3. Структура мікро-ЕОМ

4. Функціональна схема микро-ЕОМ

4.1 Арифметико-логічний пристрій

4.2 Блок мікропрограмного управління

4.3 Блок обробки запитів переривань

4.4 Блок внутрішньої синхронізації

4.5 Оперативна пам'ять

5. Розробка мікропрограми

5.1 Команда HER

5.2 Команда SE

6. Розрахункова частина

7. Висновок

Додатки:

1. Структурна схема

2. Таблиці мікрокоманд

3. Схема БОД

4. Схема БПП

5. Схема БМУ

6. Схема ОЗП

7. Схема БВС

1. ВСТУП

У курсовому проекті необхідно розробити ЕОМ, що складається з процесора (П), оперативного запам'ятовуючого пристрою (ОЗП), постійного запам'ятовуючого пристрою (ПЗП), зовнішніх пристроїв (ЗП). ОЗП і ПЗП зтворюють основну пам'ять (ОП). У кожен момент часу можливе звертання тільки до однієї комірки пам'яті. В ОП адресується кожен байт. ЗП можуть бути активні і пасивні. Активні ЗП на відміну від пасивних можуть формувати запит, що вказує на необхідність обміну інформацією з ОП. Обмін інформацією здійснюється під керуванням БПП с використанням системи переривань.

Розроблена ЕОМ повинна моделювати систему команд ЕС ЕОМ.

Детальна розробка команд припускає складання алгоритму виконання команди в точності і відповідності з її реалізацією в ЕС ЕОМ, і складання по йому мікропрограми виконання команди як у символічної, так і в цифровій формі з вказівкою комірок ПЗП в який розміщені окремі мікрокоманди. При проектуванні мікропрограмного пристрою управління вважати, що всі команди по складності реалізації рівноцінні, а їхня мікропрограма складається з такої ж кількості мікрокоманд, як і мікропрограма окремо розробленої команди. З цих даних визначається ємність ЗП мікропрограми і розміщення в йому мікропрограм окремих мікрокоманд.

2. Вибір завдання

Номер залікової книжки 971694, що в 16-річному виді представлено як ED3AE. У двійковой формі номер заліковки представляється так:

0011 1010 1110

   a       b       c

Звідси всі необхідні числа для вибору завдання представлені в таблиці 1.

                                                                   Таблиця 1.

a1 a2 a3 a4 b1 b2 b3 b4 c1 c2 c3 C4 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0

Требуеться розробити мікроЭОМ зі слідуючими характеристиками :

серія мікросхем 1804;

довжина ячейки пам`яти й разрядность МП - 64 біт;

ємність ОП 256 Кбайт;

число зовнішніх пристроїв 63;

мікросхеми ОЗП 541РУ2;

мікросхеми ППЗП 556РТ6;

реалізація машинних команд SE, HER.

3. Cтруктурна схема мікро-ЕОМ

   Структурна схема приведена на рисунку в додатку 1. Мікро_ЕОМ складається із слідуючих елементів:

операційоний пристрій (ОП);

блок микропрограмного управління (БМУ);

блок приоритетів переривань (БПП);

блок синхронізації (БС);

схема обміну інформації (СОІ);

оперативний запам`ятовуючий пристрій (ОЗП);

зовнішні пристрої (-).

   Структурна схема мікро-ЕОМ представляє загальний принцип роботи всієї мікро-ЕОМ.

   ОП виповнює обробку данних, поступаючих до нього, забезпечує зберігання та видачу признаків результатів, отриманих в ОП, формування слова стану.

   БМУ забеспечує прийняття виконуваної команди із ОЗП, преобразування кода команди для подальшого обчислювання, виробка адреси мікрокоманди для пам`яті мікропрограм, формування необхідного формату мікрокоманди для керування БІСами ЕОМ, а також забеспечує перехід на мікропрограму-відробник вектору переривання, адреса якого надходить з блоку БПП.

   БПП забеспечує прийняття запросів від зовнішніх пристроїв, керування приоритетами ліній переривань, формування вектора переривання та по цьому вектору формування адреси відробнику переривання для БМУ.

   В ОЗП зберігаються команди, які необхідно виконувати на даній мікро-ЕОМ, причому записані у системі ЕС ЕОМ, систему команд якої емулює розроблена мікро-ЕОМ.

   БС забеспечує усі схеми ЕОМ стабільними тактовими послідовностями, формірує машинні цикли для БІС.  

    В загальному виді мікро ЕОМ функціонує слідуючим образом: Виконувана команда зчитується з ОЗП та попадає на БМУ. БМУ преобразує код команди та починає виконання мікропрограми обробки поданої мікрокоманди. Під час виконування мвкрокоманд БМУ програмує мікропроцесорний комплект на виконання конкретних операцій згідно алгоритму. Якщо у час виконання програми надходить переривання від зовнішнього пристрою, БПП формує запит на переривання та адресу обробника переривання, та БМУ починає обробку переривання.

4. Функціональна схема микро-ЕОМ

4.1 Арифметико логічний пристрій

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) призначено для виконання арифметичних і логічних операцій, операнди для яких або безпосередньо надходять із шини даних (ШД), або читаються з внутрішнього реєстрового запам'ятовуючого пристрою (РЗП) АЛП, адреса для який надходить зі ШД. АЛП містить:

шістнадцять центральних процесорних елемента (ЦПЕ) К1804ВР2;

контролер станів К1804ВР2;

схема прискореного переносу К1804ВР1;

БІС К1804ВР2 являє собою 4-розрядну нарощувану мікропроцесорну секцію (МПС) з підвищеними алгоритмічними можливостями й орієнтована на обробку складних арифметичних алгоритмів. Володіючи секционированной структурою, даний ЦПЕ дозволяє за рахунок об'єднання декількох БІС будувати процесори (чи АЛП) довільної розрядності, кратної 4.

Дана МПС керується кодом мікрокоманди, поданим на входи I0-I8, у залежності від значення якого БІС вибирає джерела операндв, виконувану над ними операцію і приймач результату цієї операції.

БІС К1804ВР2 призначена для замикання даних навколо МПС К1804ВР2 при побудові АЛП мікро-ЕОМ, забезпечуючи також функції регістра стану і формірователя сигналу переносу.

Під впливом зовнішніх сигналів управління дана БІС формує сигнали для організації зрушень і переносів в АЛП, а також, обробляючи ознаки стану, що надходять з АЛП блоку обробки даних:

перенос (C);

нульовий результат (Z);

знак результату (N);

переповнення (OVR),

формує сигнал умови для організації розгалужень як у програмах, так і в мікропрограмах.

Для порівняння двох чисел необхідно подать ці числа на АЛП, організувати їхнє вирахування, а на шину управління БІС К1804ВР2 подать команду порівняння по необхідній умові. Після чого КС за значенням C, Z, N, OVR сформує на виході CT сигнал низького рівня, якщо задана умова виконується, чи сигнал високого рівня, якщо воно не виконується.

4.2 Блок мікропрограмного управління

Блок мікропрограмного управління використовується для управління послідовністю мікрокоманд та містить в собі:

регістр команд (РгК) на  К1804ИР2;

дешифратор начальної адреси мікропрограми на базі двох БІС ПЗУ К556РТ6;

формувач адреси мікропрограми К1804ВУ4;

пам`ять мікропрограм (ПМП) на базі семи БІС К556РТ6;

регістр мікрокоманд (РгМК) на базі 7 БІС К1804ИР2;

мультиплексор для вибору істочнику переривання.

БІС К1804ВУ4 представля з себе 12-розрядну схему

Керування адресом мікрокоманди та призначена для формуванняадреси ПЗП мікрокоманд ємністю до 4Кслів в составі пристроїв мікропрограмного управління. Крім того, подана БІС забеспечує:

отримування наступної адреси шляхом нарощування лічильника адресів на 1;

многократний півтор одного й того ж адреса;

умовний чи безумовний перехід до адреси, поданому чи з внутрішніх істочників, чи з вхідної шини БІС.

Умовний чи безумовний перехід до подпрограми;

Організація циклів.

Під впливом зовнішніх сигналів керування БІС формує послідовність адресів, які поступають на пам`ять микропрограм. Послідовності адресів кожного разу будуть отвічати послідовності мікрокоманд, вібраній з пам`яті мікропрограм.

БІС К1804ВУ4 керується кодом мікрокоманди, що подається на входи І0-І3, а також сигналами на входах СС (дозвіл переходу) та ССЕ (дозвіл аналізу сигналу на СС). Крім адреси на вихідній шині, БІС формірує три керуючих сигнали (VE, PE, PE), за допомогою яких здійснюється підключення до вхідної шини БІС одного з трьох зовнішніх істочників адреси – чи регистру мікрокоманд (РгМК) (РЕ), либо дешифратору начальних адресів (МЕ), чи з блоку обробки переривань (VE). Для кожної мікрокоманди виробляється тільки один сигнал дозвілу зовнішнього істочнику.

4.3.Блок обробки запитів переривань

Блок обробки запитів переривань (БОЗП) призначений для фіксування запитів на переривання, формування адреси початку мікропрограми обслуговування запиту на переривання, що має найвищий пріоритет серед усіх що прийшли, а також для вироблення сигналу запиту на обслуговування переривання, що разом з адресою надходить на БМУ. БОЗП містить у собі:

БІС узгодження БІС К1804ВН1 з К1804ВР3;

вісім БІС пріоритетного переривання К1804ВН1;

БІС К1804ВН1 являє собою 8-розрядну мікропрограмувальну схему пріоритетного векторного переривання і призначена для обробки запитів на переривання, що надходять по 8 вхідних шинах від різних пристроїв, відповідно до їхнього рівня пріоритету. БІС може реєструвати як рівневих, так і імпульсні запити, що надходять на входи INR7-INR0. Якщо на керуючий вхід СОМО поданий низький рівень, то БІС реєструє імпульсні запити. Пріоритет отриманого запиту порівнюється з тим, що міститься у внутрішньому регістрі стану, і якщо він не нижче останнього, то БІС фіксує його і виставляє його номер на вихідну шину V3-V0.

БІС К1804ВР3 являє собою керований пріоритетний шифратор 8х3 і призначена для спільної роботи з БІС К1804ВН1 у складі БОЗП із кількістю рівнів пріоритетів, великим 7. Один такий шифратор обслуговує до 8 БІС К1804ВН1 (БОЗП на 31 рівня пріоритетів).

4.4. БЛОК ВНУТРІШНЬОЇ СИНХРОНІЗАЦІЇ

Блок внутрішньої синхронізації (БВС) являє собою системний тактовий генератор і призначений для синхронізації внутрішніх блоків процесора. Він зібраний на єдиній БІС К1804ГГ1, що має стабілізований (за допомогою зовнішнього кварцевого резонатора) генератор опорної частоти від 1 до 30 МГц, мікропрограмувальну тривалість циклу тактових імпульсів від 3 до 10 періодів опорної частоти і стану «робота», «останов», «чекання», «кроковий режим».

4.5 Блок основної пам`яті

Згідно завданню ОП составляє 256 Кбайт пам`яті ОЗП. Одне слово займає 64 біт. В кожний момент часу може бути звертання тільки до однієї ячейки пам`яти. У схемі використовуються статичні ОЗП К541РУ2.

            Використані в роботі мікросхеми ОЗП мають ємність 4 Кбіт з організацією 1*4Кбіт, тому наш модуль ОЗП буде організований у 32 банки по 16 мікросхеми в одному. Один банк має ємність 4*16=64Кбіт=8Кбайт з розрядністю слова 64 біт.

Для адресації банків розроблена схема дешифрації старших розрядів адреси. Цей дешифратор побудований на п`яти дешифраторах (типу 3 в 8), включених у каскадному включенні. Це дозволяє адресувати 32 банки, використовуючи старші 5 адресні розряди А10-А14. З виходів дешифраторів сигнали виборки поступають на входи CS мікросхем ОЗП.

Пам`ять має двунаправлену шину даних, тому для правильного керування буферними регистрами розроблена схема на елементах АБО та НІ, яка керує входами дозвілу роботи регистрів. Регистр читання відкривається тільки коли активні сигнали CS та RD, регистр запису – коли активні CS та WR.

5. Розробка мікропрограми

Під створенням мікропрограми мається в виду запис прошивки ПЗП мікропрограм,  тобто запрограмувати значення усіх бітів при виконанні кожної команди.

Розряди мікрокоманди керують работой усіх узлів мікропроцесорного приладу: керування блоком обробки даних, блоком виконання команд, приладом приоритетного переривання, трактом даних та усіма остальними приладами.

Мікропрограми розрізняються по длині в залежності від типу команди: для команд типу регистр-регистр достатньо чотирьох тактів, але для команд типу регистр-пам`ять необхідно вже не менше семи мікрокоманд, тому що треба додатково обчислювати адреси операнду та загрузка його із пам`яті.

При виконуванні команд загальними у всіх є мікрокоманди, які реалізують слідуючі функції: формування адреси команди, вибірка команди, декодування команди. Подальші шаги мікропрограм залежать від конкретної команди.

5.1 Команда HER

Ця команда виконує аріфметичний здвиг вліво з нормалізацієй. Вона має формат “регистр-пам`ять” та зписується так:

HER  b1, r2, d1

де r2 - адреса ОЗП, де зберігається здвигаєме число й куди буде записан результат операції;

b1 - адреса ЗП, в якому зберігається базове значення кількості здвигаємих розрядів;

d1 - кількість розрядів, на яку буде здвигатись число r1.

Сумарна кількість здвигів визначається підсумовуванням змісту ОЗП b1 і значення d1.

Алгоритм виконування команди представлений на рисунку

5.2 Команда SE

Команда SE - віднімання з нормалізацієй.

Формат команди:

SE r1, s2

Алгорітм виконування: по команді SE другий операнд, який знаходится у пам`яті за адресою s2 (адреса повинна знаходитисьна границі слова), віднімається з першого операнду, й нормалізована разность розміщається на месті першого операнду в регистр r1.

Блок-схема виконання команди:

ПОЧАТОК Формування адреси команди Вибірка команди Декодування Вибірка зміщення Формування адреси операнду Выбірка операнду Виконання команди КІНЕЦЬ

6. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

Для спроектованої мікро-ЕОМ необхідно провести деякі оцінні розрахунки технічних характеристик. Потрібно визначити споживану потужність усієї мікро-ЕОМ, період проходження тактових імпульсів і час виконання команд описаних раніше.

Розрахуємо приблизну споживану потужність мікро-ЕОМ. Для цього просумуємо потужності всіх пристроїв, що входять до складу даної мікро-ЕОМ, що у свою чергу одержуємо підсумовуванням потужностей мікросхем, що входять до складу цих пристроїв.

Прилад ІМС потужність, Вт Кол-во, шт. Сум. потужність для приладів,Вт Сум. потужність  для ЕОМ, Вт БОД К1804ВС2 К1804ВР1 К1804ВР2 1,75 0,57 1,6 16 5 1 32,45 319,07 БОП К1804ВН1 К1804ВРЗ К1533ИД7 К556РТ6 1,525 0,12 0,005 0,95 8 1 1 2 13,325 ОЗП К541РУ2 К1804ИР2 К555ИД7 0,5 0,19 0,005 512 18 5 259,445 БС К1804ГГ1 0,48 1 0,48 БМУ К1804ВУ4 К1804ИР2 К556РТ6 К555КП6 К555ЛП6 1,72 0,19 0,95 0,005 0,005 1 11 9 1 1 12,37

Виберемо тактову частоту. Максимальні значення часу затримки поширення сигналів будуть для модуля БОД и ОЗП.

 Тзд.р.Бод= Тзд.р.вс2+ 2 * Тзд.р. bp1 + Тзд.р. вр2 = (120 + 2 * 15 + 60) * 10-9 = 210 нс.

Тзд.р. озу=2Тзд.р. ид7 + Тзд.р. ир2 + Тзд.р. РУ2 =(20 + 45 + 140) * 10-9 = 205 нс.

Тзд.р. max = mах(Тзд.р. озу, Тзд.р. Бод) == 210 нс. Максимальна тактова частота з урахуванням додаткових затримок :

F = |1 / Тзд.р. mах| = 1 / (210 * 10-9) | = 4 МГц. Тоді період проходження тактових імпульсів складе :

Т=1/F=1/(4* 106) =250 нс.

Знайдемо время виконання команд. Тому що команда SE виконується 16+1 циклів, то час ее виконання складе :

tDD = Т * 16 = 4 мкс.

Команда HER виконується за 1+1+16+1=19циклів. Таким чином, час виконання команди HER складає :

ТhER=Т* 19 =4,75 мкс

7. ВИСНОВОК

У ході виконання курсової роботи була спроектована ЕОМ, що по своїх параметрах є абсурдною з технічної точки зору. Причиною цього є не коректно поставлені технічні вимоги:

· Завищена розрядність пристрою(64-х розрядна шина даних, це занадто багато 4-х розрядних секційних БІС).

· Великий обсяг основної пам'яті, при малій розрядності складових її елементів, що привело до необхідності використання декількох сотен мікросхем.

· Висока споживана потужність ( близько 60 А, при напрузі питання 5 В виходить 350 Вт )

· Не узгодження параметрів за коефіцієнтом розгалуження ( до одного виходу навантажується під несколько сотень входів).

У такий спосіб такая ЕОМ фізично не може функціонувати..