Проектирование управляющего автомата в САПР Quartus II

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова»

Кафедра «Вычислительная Техника»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Основы комплексной автоматизации проектирования»

«Проектирование управляющего автомата в САПР Quartus II»

Выполнил:

студент группы 7-78-3

Ворожцов А.В.

Ижевск 2013

Оглавление

Введение

1. Задание на курсовой проект

2. Команда XI - Исключающее ИЛИ

3. Выбор типа УА

4. Таблица переходов и выходов УА

5. Функции переходов и выходов

6. Комбинационная схема УА

7. Временные диаграммы работы УА

Заключение

Список литературы

Введение

Цель работы:

Спроектировать управляющий автомат (УА) процессора с жесткой логикой.

Задачи работы:

1.  В САПР Quartus II построить комбинационную схему управляющего автомата для определенного набора команды из системы команд IBM/370.

.    В САПР Quartus II выполнить симуляцию построенной схемы.

Краткая теория

Операционные устройства (ОУ) - устройства, которые осуществляют преобразование информации путем выполнения над ней определенных операций.

В функциональном и структурном отношении ОУ разделяют на две части:

§  Операционный автомат (ОА);

§  Управляющий автомат (УА).

Структура ОУ представлена на рис.1.

Рис.1. Структура ОУ

Операционный автомат (ОА) - служит для хранения слов информации, выполнения набора микроопераций и вычисления значений логических условий; предназнаяен для выполнения действий над информацией.

Управляющий автомат (УА) - генерирует последовательность управляющих сигналов, предписанную микропрограммой и соответствующую значениям логических условий (ЛУ); задает порядок действий в ОА, вытекающий из алгоритма выполнения операций.

Пояснения к рис.1. следующие:

1)   Множество входных слов {D}, поступающее в ОА в качестве операндов;

2)      Множество выходных слов {R}, представляющее собой результаты выполнения операций;

)        Множество микроопераций {Y}, реализующее преобразование слов информации;

)        Множество логических условий {X}, определяющее состояние ОА;

)        Множество операций {F} над операндами из множества {D} с выдачей результатов из множества {R}.

Функция ОА характеризует средства, которые могут быть использованы для вычислений, но не сам вычислительный процесс. Время не является аргументом функции ОА. Порядок выполнения действий во времени определяется функцией управляющего автомата.

Функция УА - это операторная схема (микропрограмма), функциональными операторами которой являются символы , отождествляемые с микрооперациями, а в качестве логических условий используется булевы переменные . Операторная схема алгоритма представляется в виде граф-схемы или логической схемы алгоритма.

Жесткая логика (схемная реализация логики управления) предусматривает реализацию множества состояний автомата блоком памяти (БП) на запоминающих элементах (триггерах, регистрах), а функции выходов и переходов формируются комбинационной схемой (КС).

Алгоритм функционирования УА в этом случае полностью определяется схемой соединения его элементов.

Достоинством УА с жесткой логикой управления является максимально высокое быстродействие, определяемое используемой элементной базой.

Недостаток УА с жесткой логикой следует отнести большую трудоемкость проектирования, возрастание сложности структуры УА при усложнении алгоритма и отсутствие универсальности. Последнее свойство определяет, что УА проектируется под конкретную задачу и при малейшем изменении алгоритма работы устройство должно быть спроектировано заново. 

1. Задание на курсовой проект

Данная работа базируется на основе курсового проекта, выполненного по дисциплине «Организация ЭВМ и систем»

Необходимо выбрать микропрограмму (МП), содержащую не менее 20-ти операторных вершин. Такому условию удовлетворяет МП XI «Исключающее ИЛИ». Опираясь на исходные данные с курсового проекта и на предыдущее условие, сформулируем исходные параметры для выполнения курсовой работы.

Исходные данные для проектирования определяются номером задания и выбираются из таблицы 1.

Таблица 1 - Исходные данные для проектирования

Задание на курсовую работу содержит следующие исходные данные:

·        Команда 97;

·        Емкость оперативной памяти (ОП) -  Кбайт;

·        Ширина выборки из ОП (длина слова ОП) -;

·        Автомат МИЛИ.

2. Команда XI - Исключающее ИЛИ

XI D₁(B₁),I₂ [SI]

Рис.2. Формат команды SI

Алгоритм:

Поразрядная сумма по модулю 2 (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) первого и второго операндов помещается на место первого операнда.

Операнды обрабатываются как логические величины, не имеющие внутренней структуры. операция выполняется над соответствующими парами битов. Бит результата устанавливается в единицу, если значения соответствующих битов операндов не совпадают; в противном случае этот бит результата устанавливается в нуль.

Признак результата:

·        0 - результат равен нулю;

·        1 - результат не равен нулю;

·        2 - не бывает;

·        3 - не бывает.

Программные прерывания:

Доступ (выборка второго операнда в командах X и XC, выборка и запись в память первого операнда в командах XI и XC).

Замечания по программированию:

Команда ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ может быть использована для инвертирования бита - операции, особенно полезной для проверки и установки программных двоичных переключателей.

Если и первый, и второй операнды команды ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются одним и тем же полем, то после выполнения операции все биты этого поля будут равны нулю.

Для того чтобы поменять местами содержимое поля A и содержимое поля B, не используя вспомогательную буферную область, можно применить следующую процедуру с использованием команды ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Сначала выполняется команда ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, для которой поле A является первым операндом, а поле B - вторым. Затем выполняется такая же команда, для которой поле B, содержащее свое первоначальное значение, является первым операндом, а поле A, содержащее результат предыдущей операции, - вторым операндом. После этого выполняется еще одна команда ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, для которой поле A, содержащее результат выполнения первой команды, является первым операндом, а поле B, содержащее результат выполнения второй команды, - вторым операндом.

Выполнение команд XI заключается в выборке байта первого операнда из основной памяти и последующей записи в память нового значения. Запись конкретного байта не обязательно производится сразу же после его выборки. Отсюда следует, что команда ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ не может использоваться для обновления содержимого разделяемой ячейки основной памяти без учета возможных непредвиденных последствий, если существует вероятность того, что другой процессор в это время может производить изменение содержимого указанной ячейки. В случае команды XI в память записывается только один байт.

Функциональная микропрограмма команды XI приведена на рис.3. в размеченном виде.

Рис.3.1. Размеченная микропрограмма команды XI лист 1/3

Рис.3.2. Размеченная микропрограмма команды XI лист 2/3

Рис.3.3. Размеченная микропрограмма команды XI лист 3/3

3. Выбор типа УА

Выберем в качестве основы УА регистр сдвига на 20 разрядов. Все состояния автомата будем записывать в унитарном коде. Закодируем все состояния и результат запишем в таблицу 2.

Таблица 2 - Кодирование состояний

Построим таблицу переходов и выходов УА (смотрите таблицу 3).

. Таблица переходов и выходов УА

Таблица 3 - Таблица переходов и выходов УА

5. Функции переходов и выходов

Функции выходов выглядят следующим образом:

X20

;

;

Функции переходов выглядят следующим образом:

;

;

;

 ;

;

;

;

;

;

;

;

X20a8;

X1a8;

;

;

;

;

.

Запись функций выходного набора

;

;

. Комбинационная схема УА

Спроектированная комбинационная схема УА с жесткой логикой в САПР Quartus II прикладывается дополнительно к курсовой работе в виде плаката.

7. Временные диаграммы работы УА

Временные диаграммы, отображающие работу УА жесткой логикой в САПР Quartus II, прикладывается дополнительно к курсовой работе в виде плаката.

управляющий автомат микропрограмма кодирование

Заключение

В результате выполнения курсовой работы был спроектирован УА с жесткой логикой в САПР Quartus II и получены временные диаграммы его работы при выполнении команды «Исключающее ИЛИ».

Была размечена МП заданной команды, построена функциональная схема УА в САПР Quartus II.

В процессе выполнения курсовой работы были получены практические навыки применения САПР Quartus II.

В результате выполнения курсовой работы я ознакомился и решенил ряд вопросов, связанных с проектированием и симуляцией управляющего автомата процессора в САПР Quartus II.

Список литературы

1. Петухов К.Ю., Юминова Т.Ф. Методические указания к выполнению курсового проекта. «Проектирование процессора ЭВМ» по курсу «Организация ЭВМ, комплексов и систем» для студентов дневного отделения специальности 2201. Ижевск, 2001.

. Принципы работы системы IBM/370. Пер. с англ. Под ред. Райкова Л.Д., М., Мир, 1975.