Синтез АЛУ

Содержание

 

1. Введение……………………………………………………………………..........2
2. Задание…………………………………………….……………………………...3
3. Общая последовательность вычитания и логического

сложения чисел с ФТ……………………………………………………………..3

4. Структурная схема АЛУ………………………….……………………………...3
5. Алгоритм вычитания и логического сложения чисел в АЛУ……………....…5
6. Разработка функциональной схемы блока управления…………………….....7

6.1  Общая последовательность  разработки……………………………….......7

6.2  Формализация задания………………………………………………...…....7

6.3  Выбор типа автомата……………………………………………………….9

6.4  Разметка схемы алгоритма  ………………………………………………..9

6.5  Составление таблиц переходов  и выходов……………………………….9

6.6  Кодирование состояний……………………………………..……………..11

6.7  Составление кодированной  таблицы переходов и выходов…….………11

6.8  Выбор типа триггера………………………………………………….……11

6.9  Преобразование таблицы переходов  в таблицу

функций возбуждения триггеров………………………………………...…13

6.10  Запись функций возбуждения  и функций выходов в СДНФ…………..16

6.11  Минимизация функций возбуждения  и функций выходов…………….19

6.12  Выбор типа логических  элементов………………………………………27

6.13  Преобразование функций переходов  и функций выходов……………..27

6.14  Построение функциональной  схемы блока управления………………..29

6.15  Проверка правильности работы  блока управления……...……………...30

7. Заключение………………………………………………………………..…….31
8. Литература……………………………………………………………………....32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

Устройства ЭВМ можно выделить в два основных блока: операционный блок и блок управления. Структура данного блока представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – структура устройства ЭВМ.

 

В операционном блоке выполняется  операция, для которой предназначено  устройство. На вход операционного  блока поступают операнды, а на выходе операционного блока формируются  результаты выполнения операции. В  операционном блоке помимо выполняемых  действий могут формироваться признаки операндов, промежуточных или окончательных  результатов. Такими признаками являются знаки операндов, знак остатка при делении и другие.

Любая операция в операционном блоке  выполняется по средствам сигналов, формирующихся в устройстве управления. На вход блока управления подается код операции, который задает тип  операции, выполняемой в операционном блоке. Синтез блока управления может  выполняться различными методами. В данной работе рассматривается блок управления, реализованный в виде автомата с памятью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Задание

     Задание: разработать схему блока управления в АЛУ, выполняющего операцию сложения и вычитания.

Исходные данные: Тип автомата – автомат Мура.

Тип триггеров – D-триггеры и RS-триггеры.

Тип логических элементов – И-НЕ.

 

3 Общая последовательность операции сложения  чисел с ФТ и ИЛИ

     3.1 Сложение с фиксированной точкой. При сложении определяется сумма:

С = А+В, где А – слагаемое, В – слагаемое, С – сумма.

3.2  Общая последовательность логического сложения чисел (операция ИЛИ)

При логическом сложении осуществляется побитовое сложение чисел (A и B) и  формируется результат S=AvB, где:

A – первое число; 

B – второе число; 

S – результат операции ИЛИ; 

Перед выполнением  операции числа записаны в оперативной  памяти в прямом коде. Для выполнения операции числа должны быть считаны  и переданы в АЛУ. Операция логического  сложения проводится без учета знаков чисел. Операнды А и В помещаются в логический блок. На выходе логического блока формируется результат (S), который записывается в регистр сумматора, а затем в ОП.

 

4 Структурная схема АЛУ

Структурная схема АЛУ строится в соответствии с общей последовательностью операций сложения и логического сложения. АЛУ имеет типовую структуру, представленную в приложении А (копия представлена в отчете на рисунке 2)

 

 

Рисунок 2 – структурная схема АЛУ

 

Операционный блок АЛУ  представляет собой совокупность различных  узлов, каждый из которых представляет собой законченное «устройство», выполняющее отдельную операцию, свойственную ему одному. Так для хранения исходных чисел (А и В) на время выполнения операции в состав АЛУ должны входить два регистра. Для сложения чисел в операционном блоке должен быть сумматор, а для логического сложения в ОБ должен быть блок логического сложения. Обычно сумматор выполняется в виде комбинационной схемы, поэтому для фиксации разности и результата логического сложения должен быть предусмотрен регистр сумматора. Результат, формирующийся в блоке логического сложения, также должен быть помещен в регистр сумматора.

Наконец, для определения признаков  результата должны использоваться схемы, которые объединяются в общую  схему формирования признаков результата. Соединив основные узлы операционного  блока между собой информационными  связями, а также операционный блок и блок управления управляющими связями, получим структурную схему АЛУ, показанную в Приложении А (копия представлена в отчете на рисунке 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Алгоритм сложения  и логического сложения чисел в АЛУ с ФТ

 

Алгоритм сложения и логического сложения чисел составляется  в соответствии с общей последовательностью сложения и структурной схемой АЛУ. Микропрограмма сложения и логического сложения чисел в АЛУ в виде схемы алгоритма представлена в приложении В (копия представлена в отчете на рисунке 3). Здесь под микропрограммой понимается последовательность микроопераций. Микрооперация – элементарная операция, для управления которой достаточно одного управляющего сигнала.

Перед началом операции числа находятся в оперативной  памяти. Если АЛУ не занято выполнением  очередной операции, то блок управления находится в исходном состоянии  и выдает сигнал готовности.

Блок управления начинает работу, если на него поступает сигнал начала операции.

Числа А и В последовательно считываются из оперативной памяти и записываются в регистры РгА и РгВ .Согласованная работа оперативной памяти и АЛУ обеспечивается центральным устройством управления, которое в определенные моменты времени выдает сигнал начала работы оперативной памяти в режиме чтения.

Выполнение операции начинается после поступления кода операции в блок управления, если поступил код  операции сложения, числа подаются в сумматор в прямом или дополнительном коде в зависимости от их знаков или в прямом коде в блок логического сложения, в противном случае.

Далее оба числа одновременно поступают на входы сумматора  или блока логического сложения, при этом на соответствующих выходах  формируется или значение суммы или результат логического сложения. Результат записывается в регистр сумматора

Для получения дополнительного  кода числа в младший разряд сумматора  поступает сигнал +1.

Полученное значение анализируется  в схеме формирования признака результата. При отрицательном результате (s=1) он преобразуется в прямой код и записывается в оперативную память. На этом операция   АЛУ заканчивается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – структурная схема алгоритма

 

 

Разработка функциональной схемы блока управления

 

 

6.1 Общая  последовательность разработки

 

Блок управления представляет собой  автомат с памятью. Алгоритм работы блока управления задан в виде микропрограммы. В этом случае разработка блока управления включает следующие  этапы:

 

• Формализация задания.
• Выбор типа автомата.
• Разметка схемы алгоритма.
• Составление таблицы переходов и выходов автоматов.
• Кодирование состояний.
• Составление кодированной таблицы переходов и выходов.
• Выбор типа триггеров.
• Преобразование таблицы переходов в таблицу функций возбуждения триггеров.
• Запись функций возбуждения и функций выходов в СДНФ.
• Минимизация функций возбуждения и функций выходов.
• Выбор типа логических элементов.
• Преобразование функций переходов и выходов.
• Построение функциональной схемы блока управления.
• Проверка правильности работы блока управления.

 

6.2 Формализация  задания

 

При задании  автомата микропрограммой количество входных сигналов равно числу  различных условных операторов микропрограммы. В данном случае число условных операторов равно 5.

Для упрощения записи логических функций  приняты следующие обозначения:

 

• k – сигнал начала операции;
• r – сигнал кода операции;
• a – знак числа А;
• b – знак числа В;
• s – знак результата.

 

     Тогда входными сигналами блока  управления являются сигналы  k, r, a, b, s, каждый из которых может принимать значение 0 или 1.

     Число выходных сигналов равно числу микроопераций в микропрограмме. Безусловные операторы содержат по одной микрооперации. Таким образом, общее число выходных сигналов равно 13. Обозначения выходных сигналов и соответствующие им микрооперации приведены в таблице 1.

     С учетом числа входных и  выходных сигналов общая схема  блока управления может быть  представлена в виде рисунка 4.

 

 

Рисунок 4 - Общая схема блока управления

 

 

           Таблица 1

№ п/п	Выходные сигналы	Микрооперации
0	Y0	Сигнал готовности
1	Y1	Прием числа А из ОП в регистр РгА
2	Y2	Прием числа В из ОП в регистр РгВ
3	Y3	Выдача числа А в блок логического сложения
4	Y4	Выдача числа В в блок логического сложения
5	Y5	Выдача числа А в сумматор в прямом коде
6	Y6	Выдача числа В в сумматор в прямом коде
7	Y7	Выдача числа A в сумматор в дополнительном коде
8	Y8	Выдача числа B в сумматор в дополнительном коде
9	Y9	Выдача результата в регистр сумматора
10	Y10	Формирование признака результата
11	Y11	Преобразование результата в прямой код
12	Y12	Выдача результата из регистра сумматора в ОП

 

 6.3  Выбор типа автомата

 

Заданием  предусмотрена реализация блока  управления в виде автомата Мура.

 

6.4 Разметка  схемы алгоритма

 

Для разметки используется формальная схема алгоритма, в которой названия микроопераций заменяются на соответствующие управляющие сигналы из таблицы 1.        При разметке используются следующие правила:

1. Начальный и конечный операторы помечаются символам начального состояния ().
2. Все безусловные операторы помечаются символами следующих состояний (, , )

     Размеченная схема алгоритма представлена на рисунке 6. Как видно по результатам разметки, автомат имеет 12 состояний (, , … , ).