Создание (синтез) УУ – устройства, выполняющего команды V0-V7.

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине

 

«Вычислительная техника и информационные технологии»

 

 

Выполнил: студент 3 курса специальность сс студ. билет № 5сс10004 Слугин Роман Андреевич   _____________________

Проверил:   Туляков Юрий Михайлович     ________________________

 

Нижний Новгород

 

2013г.

I. Задание на курсовую работу:

 

Курсовая работа предусматривает:

-изучение принципа действия упрощенной модели автоматического вычислителя типа программируемого микрокалькулятора, структурная схема которого изображена на рис. 1;

-программирование в двоичных кодах алгоритма вычислений, предписываемых функцией F = f к (a, b, c, d) из таблицы 10 методических указаний, где индекс k задает номер варианта и определяется предпоследней i=0 и последней j=4, цифрами моего варианта:

1) N=10i+j=04;

2)

3) a=N+15=19; b=N+13=17; c=N+5=9; d=N=4.

При этом программу следует разместить в память команд (ПК), начиная с ячейки № i=0, а операнды a, b, c и d – в память данных (ПД), начиная с ячейки № j=4;

-синтез конечного автомата (КА), реализующего функции устройства управления (УУ) на рис.1;

-выполнение вручную всех расчетов согласно в двоичной системе счисления с выдачей всех промежуточных и окончательного результатов.

 

Рисунок 1 – Структурная схема вычислителя.

 

II. Теоретическая часть

 

1.Состав вычислителя.

 

В состав вычислителя входят: арифметико-логическое устройство АЛУ (ALU), регистр RgQ, память команд ПК, память данных ПД, устройство управления УУ (конечный автомат КА), мультиплексор MS, элементы управляющей логики И1, И2.

 

2.Принцип работы вычислителя.

 

В ПК записываются команды, в ПД – операнды (данные).

Управление ПК и ПД осуществляется с помощью УУ сигналами V1-V7, которые подаются в виде 0 и 1 на указанные устройства.

Сначала выполняется первая (верхняя) команда (она записана в регистрах (строчках) ПК) и по указанным в ней адресам выбирает из ПД нужные данные (числа) для операндов X и Y (аргументов, над которыми выполняются заданные операции).

Для выполнения необходимой операции над X и Y в АЛУ подается КОП (код операции). Полученный результат из АЛУ выдается в регистр результата RgQ. Если этот результат промежуточный, то он записывается в ПД в ячейку (РОН) с адресом, который указан в команде. Если результат конечный, то он из RgQ подается на выход (например, на дисплей).

Устройство управления (УУ) главным образом определяет очередность выбора команд. В данном случае это последовательный переход по счету от одной команды к другой (от одного адреса к другому). Поэтому УУ представляет собой счетчик, на выходе Q которого появляется двоичная комбинация, определяющая число сосчитанных входных импульсов. Управление заключается в подаче импульса запуска и выключении УУ после выполнения всех операций по заданной функции.

 

 

III. Практическая часть

1.Присваиваю данным операндам определенные РОН для:

«а» помещаю в ячейку РОНj=РОН4;

«b»→РОНj+1=РОН5;

«с»→ РОНj+2=РОН6;

«d»→ РОНj+3=РОН7

Ввожу вспомогательные переменные:

e =

f =

g =

h =

i =

Для дополнительно введенных переменных и их временного хранения выделяю дополнительные РОН:

e – РОН8, f – РОН9, g –РОН10, h – РОН11

АЛУ выполняет следующие операции:

, код операции – 010;

, код операции – 011;

, код операции – 100;

, код операции – 101;

 

2. Составляю блок-схему алгоритма вычисления.

Алгоритм вычислений реализуется последовательным выполнением команд K1,…,K9, каждая из которых обеспечивает выполнение следующих операций:

 

K1 – вычисление e = и размещение результата в RgQ

K2 – перезапись e из RgQ в РОН8.

К3 – вычисление f = и размещение результата в RgQ

K4 – перезапись f из RgQ в РОН9.

K5 – вычисление и размещение результата в RgQ

K6 – перезапись g из RgQ в РОН10.

K7 – вычисление h = и размещение результата в RgQ

K8 – перезапись h из RgQ в РОН11.

K9 – вычисление i = и размещение результата в RgQ

Таблица 1 – блок-схема работы вычислителя.

	K1		e =
K2		перезапись e из RgQ в РОН8
	K3		f =
K4		перезапись f из RgQ в РОН9
	K5
K6		перезапись g из RgQ в РОН10
	К7		h =
К8		перезапись h из RgQ в РОН11
	К9		i =

 

3. Программирование сводится к записи кодов всех перечисленных команд в той же последовательности.

Заполняю таблицу команд программы (хранящейся в памяти команд).

Таблица 2

Команда

Адрес в ПК

Тип перехода от одной команды к другой

КОП ALU

Адрес (в ПД) (РОН)

Адрес (в ПД) (РОН)

Доп. уровни в УУ

V5

V4

V3

V2

V1

P2

P1

P0

K2

K1

K0

Ax

Ay

V6

V7

К1

х

х

х

х

х

К2

х

x

x

x

x

х

x

х

К3

К4

х

x

x

х

х

х

х

х

К5

x

x

х

x

x

К6

x

x

x

х

х

х

х

x

К7

К8

х

x

x

x

x

x

x

х

К9

Стоп

Литература

14.04.2013

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине

 

«Вычислительная техника и информационные технологии»

 

 

Выполнил: студент 3 курса специальность сс студ. билет № 5сс10004 Слугин Роман Андреевич   _____________________

Проверил:   Туляков Юрий Михайлович     ________________________

 

Нижний Новгород

 

2013г.

I. Задание на курсовую работу:

 

Курсовая работа предусматривает:

-изучение принципа действия упрощенной модели автоматического вычислителя типа программируемого микрокалькулятора, структурная схема которого изображена на рис. 1;

-программирование в двоичных кодах алгоритма вычислений, предписываемых функцией F = f к (a, b, c, d) из таблицы 10 методических указаний, где индекс k задает номер варианта и определяется предпоследней i=0 и последней j=4, цифрами моего варианта:

1) N=10i+j=04;

2)

3) a=N+15=19; b=N+13=17; c=N+5=9; d=N=4.

При этом программу следует разместить в память команд (ПК), начиная с ячейки № i=0, а операнды a, b, c и d – в память данных (ПД), начиная с ячейки № j=4;

-синтез конечного автомата (КА), реализующего функции устройства управления (УУ) на рис.1;

-выполнение вручную всех расчетов согласно в двоичной системе счисления с выдачей всех промежуточных и окончательного результатов.

 

Рисунок 1 – Структурная схема вычислителя.

 

II. Теоретическая часть

 

1.Состав вычислителя.

 

В состав вычислителя входят: арифметико-логическое устройство АЛУ (ALU), регистр RgQ, память команд ПК, память данных ПД, устройство управления УУ (конечный автомат КА), мультиплексор MS, элементы управляющей логики И1, И2.

 

2.Принцип работы вычислителя.

 

В ПК записываются команды, в ПД – операнды (данные).

Управление ПК и ПД осуществляется с помощью УУ сигналами V1-V7, которые подаются в виде 0 и 1 на указанные устройства.

Сначала выполняется первая (верхняя) команда (она записана в регистрах (строчках) ПК) и по указанным в ней адресам выбирает из ПД нужные данные (числа) для операндов X и Y (аргументов, над которыми выполняются заданные операции).

Для выполнения необходимой операции над X и Y в АЛУ подается КОП (код операции). Полученный результат из АЛУ выдается в регистр результата RgQ. Если этот результат промежуточный, то он записывается в ПД в ячейку (РОН) с адресом, который указан в команде. Если результат конечный, то он из RgQ подается на выход (например, на дисплей).

Устройство управления (УУ) главным образом определяет очередность выбора команд. В данном случае это последовательный переход по счету от одной команды к другой (от одного адреса к другому). Поэтому УУ представляет собой счетчик, на выходе Q которого появляется двоичная комбинация, определяющая число сосчитанных входных импульсов. Управление заключается в подаче импульса запуска и выключении УУ после выполнения всех операций по заданной функции.

 

 

III. Практическая часть

1.Присваиваю данным операндам определенные РОН для:

«а» помещаю в ячейку РОНj=РОН4;

«b»→РОНj+1=РОН5;

«с»→ РОНj+2=РОН6;

«d»→ РОНj+3=РОН7

Ввожу вспомогательные переменные:

e =

f =

g =

h =

i =

Для дополнительно введенных переменных и их временного хранения выделяю дополнительные РОН:

e – РОН8, f – РОН9, g –РОН10, h – РОН11

АЛУ выполняет следующие операции:

, код операции – 010;

, код операции – 011;

, код операции – 100;

, код операции – 101;

 

2. Составляю блок-схему алгоритма вычисления.

Алгоритм вычислений реализуется последовательным выполнением команд K1,…,K9, каждая из которых обеспечивает выполнение следующих операций:

 

K1 – вычисление e = и размещение результата в RgQ

K2 – перезапись e из RgQ в РОН8.

К3 – вычисление f = и размещение результата в RgQ

K4 – перезапись f из RgQ в РОН9.

K5 – вычисление и размещение результата в RgQ

K6 – перезапись g из RgQ в РОН10.

K7 – вычисление h = и размещение результата в RgQ

K8 – перезапись h из RgQ в РОН11.

K9 – вычисление i = и размещение результата в RgQ

Таблица 1 – блок-схема работы вычислителя.

	K1		e =
K2		перезапись e из RgQ в РОН8
	K3		f =
K4		перезапись f из RgQ в РОН9
	K5
K6		перезапись g из RgQ в РОН10
	К7		h =
К8		перезапись h из RgQ в РОН11
	К9		i =

 

3. Программирование сводится к записи кодов всех перечисленных команд в той же последовательности.

Заполняю таблицу команд программы (хранящейся в памяти команд).

Таблица 2

Команда

Адрес в ПК

Тип перехода от одной команды к другой

КОП ALU

Адрес (в ПД) (РОН)

Адрес (в ПД) (РОН)

Доп. уровни в УУ

V5

V4

V3

V2

V1

P2

P1

P0

K2

K1

K0

Ax

Ay

V6

V7

К1

х

х

х

х

х

К2

х

x

x

x

x

х

x

х

К3

К4

х

x

x

х

х

х

х

х

К5

x

x

х

x

x

К6

x

x

x

х

х

х

х

x

К7

К8

х

x

x

x

x

x

x

х

К9

Стоп

Создание (синтез) УУ – устройства, выполняющего команды V0-V7.

a) Структурная схема УУ.

Управляющее устройство содержит комбинационные устройства КУ1 и КУ2, память и схему запуска.

Комбинационное устройство КУ1 формирует сигналы q₁, q₂, q₃, q₄ управляющие триггерами T1, T2, T3, Т4 памяти УУ, что обеспечивает переход УУ из состояния a₀ в состояние a₁, из a₁ в a₂ и т.д.

 

схема запуска и сброса

КУ1

Автоматическое устройство переключения от такта к такту

КУ2

q1 Q1 V1

 

счетчик

ТИ ТИ

qn Qn Vm

 

 

ОС W

 

Рисунок 2 – Структурная схема УУ.

 

б) Считаем, что переключающее устройство строится на триггерах с выходами Q. Определю необходимое количество триггеров для выполнения всех команд:

,

где М – количество рабочих состояний (тактов).

Также учитывается 1 состояние покоя.

,т.е. m= 4.

После подачи импульса запуска КА должен отработать полный рабочий цикл, выдавая на каждом из тактов требуемые уровни выходных сигналов V1 – V7. В конце 9 такта КА должен сформировать сигнал W=1 сброса, которым он будет переведен в состояние покоя.

 

в) Составляю таблицу функционирования УУ.

 

 

Таблица 3.

Такт (состояние)

Текущее состояние КА

Выходные сигналы

Q4

Q3

Q2

Q1

V5

V4

V3

V2

V1

V6

V7

W

X

X

X

X

X

X

X

Х

Остальные комбинации

Х

Х

Х

Х

Х

Х

 

г)Строю комбинационное устройство КУ, которое вырабатывает сигналы V1-V7 и W, имея на входах сигналы Q1-Q4. Т.е. синтезирую счетчик на основе JK-триггеров.

 

 

Таблица 4

 

Такт J

Предшествующие состояния триггеров (входные сигналы КУ1) на j-такте

Последующие состояния триггеров на (j+1)-такте

Выходные сигналы КУ1 (управляющие триггерами) на j-такте

Q4(jj)

Q3(jj)

Q2(jj)

Q1(jj)

Q4(jj+1)

Q3(jj+1)

Q2(jj+1)

Q1(jj+1)

q4

q3

q2

q1

X

X

X

X

X

X

X

X

Остальные комбинации

 

д) По таблице 4 составляю комбинационную схему в СДНФ. Видно, что q1=1. Выпишу СДНФ для q2,q3,q4 и минимизирую их с помощью карт Карно-Вейча.

 

 

Для минимизации выражений также использую безразличные состояния Х.

 

 

 

 

 

 

Для формирования сигналов q₁, q₂,q₃, q₄ использую встроенную логику ЗИ JK- триггеров. В результате память КА, вместе с КУ1 превратится в счетчик с параллельным переносом. Комбинационное устройство КУ2, имея на своих входах сигналы Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ должно формировать выходные сигналы V₁, V₂,…V₇, W согласно таблице 3. Формулы для МДНФ выходных переменных V₁, V₂,…V₇, W позволяют построить принципиальную схему КУ2, чем и завершается синтез УУ.

Рисунок 3 – Схема синтезированного устройства КУ1 – счетчика с параллельным переносом.

 

е) Аналогично составляю функции для V1-W в СДНФ и синтезирую КУ2, используя таблицу 3.

 

Минимизирую выражения с помощью карт Карно-Вейча:

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Схема КУ2.

 

ж) Строю схему запуска и сброса.

 

 

 

Рисунок 5 - Схема запуска.

 

 

КА работает в том случае, если на его вход подаются тактовые импульсы ТИ, которые считаются счетчиком и заставляют его срабатывать. Таким образом, должна присутствовать схема запуска, которая подает ТИ от генератора на УУ. Еe выключение прекращает подачу ТИ.

Схема запуска и сброса может быть организована на ЛЭ «И» и RS–триггере (рис.6). Если на вход S триггера подать запускающий импульс, то на выходе Q появляется 1 и открывает схему «И». Когда вырабатывается команда СТОП, на вход R триггера подается сигнал W=1, на выходе Q появляется 0, и схема «И» перестает пропускать ТИ. Одновременно сигнал W подается на R-асинхронные входы триггеров, осуществляя их сброс (обнуление).