Анализ операций умножения и деления в конкретной модели АЛУ

Введение

Создание фирмой Intel первого микропроцессора в 1971 году положило начало эпохе компьютеризации. “Благодаря микропроцессорам компьютеры стали массовым, общедоступным продуктом ”,- заявил Тед Хофф, один из изобретателей первого процессора. Его имя, вместе с именами его коллег - Федерико Феджина и Стива Мейзора, внесено в список лауреатов Национального зала славы изобретателей США, а само изобретение признано одним из величайших достижений ХХ века.

За чуть более чем четвертьвековую историю микропроцессоры прошли поистине гигантский путь. Первый чип Intel 4004  работал на частоте 750 Кгц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200 долларов. Производительность его оценивалась в 60 тысяч операций в секунду. На сегодняшний день рекордные показатели принадлежат микропроцессорам Alpha 21264 фирмы DEC и составляют: 600 МГц, 15.2 миллиона транзисторов, 2 миллиарда операций в секунду и около 300 долларов соответственно.

Сравнение приведенных значений подтверждает оценку успехов микропроцессорной индустрии, данную основателем и председателем совета директоров фирмы Intel  Гордоном Муром: “Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня “Роллс-Ройс” стоил бы 3 доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку” [ “Intel на Comtek’98” CDROM  - perspectives.html ].

Такое интенсивное развитие технологий в обществе, где основным предметом труда становится информация, является следствием растущего спроса на новые орудия труда - компьютеры. На сегодняшний день компьютеризация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и концентрированным его выражением. Количество и качество производимых в стране компьютеров, степень насыщенности вычислительной техникой самых разных отраслей становится одним из основных критериев ее экономического и военного потенциала.

В формируемом ежегодно в США группой экспертов перечне “критических технологий”, охватывающем практически все направления производства, исследований и разработок, оказывающих влияние на военный и экономический статус страны, микроэлектронные технологии традиционно занимают первое место.

В микропроцессорах - наиболее сложных микроэлектронных устройствах - воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромных капиталовложений, выпуск каждой новой модели микропроцессора - так или иначе связан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом.

Типы микропроцессоров

Универсальные микропроцессоры предназначаются для применения в вычислительных системах : персональных ЭВМ, рабочих станциях, а в последнее время и в массово-параллельных супер-ЭВМ. Основной их характеристикой является наличие развитых устройств для эффективной реализации операций с плавающей точкой над 64 разрядными и более длинными операндами. Предназначаются в основном для проведения научно-технических расчетов.

Цифровые сигнальные процессоры рассчитаны на обработку в реальном времени цифровых потоков, образованных путем оцифровывания аналоговых сигналов. Это обусловливает их сравнительно малую разрядность и преимущественно целочисленную обработку. Однако современные сигнальные процессоры способны проводить вычисления с плавающей точкой над 32-40 разрядными операндами. Кроме того, появился класс медийных процессоров, представляющих собой законченные системы для обработки аудио- и видеоинформации.

Наибольшей специализацией и разнообразием функций обладают микроконтроллеры, используемые во встроенных системах управления, в том числе и в бытовых приборах. Общее число кристаллов с различными системами команд превышает 500, и все они, в силу существования изделий с их использованием, имеют свою устойчивую долю рынка.

В данной курсовой работе на примере цифрового сигнального процессора семейства ADSP-21xx производится разбор команд умножения и деления, выполняемых в АЛУ.

Обобщенная структурная схема персонального компьютера

Центральный процессор в персональных компьютерах представляет собой микропроцессор, то есть построен на одной микросхеме (БИС,СБИС). В его состав входят:

·Центральное устройство управления - комплекс средств автоматического управления процессами передачи и обработки информации;

·Арифметико-логическое устройство - устройство, осуществляющее обработку информации и выработку признаков управляющих сигналов.

·Внутренняя память процессора :

·Регистровая память

·Постоянная память устройства управления

Модули оперативной и постоянной памяти, связаны с микропроцессором напрямую. Остальные устройства ( монитор, клавиатура, накопители на магнитных носителях и т.д.) связаны с микропроцессором через контроллеры ввода-вывода, которые, в свою очередь, связаны с микропроцессором через системную шину.

Микропроцессор является ядром ЭВМ (рис.1). Он осуществляет обработку данных и функции управления системой. К функциям управления системой относятся :

·инициирование операций ввода-вывода

·управление доступом к основной памяти ( работа с виртуальной памятью )

·обработка системных событий - прерываний

·организация многозадачных режимов работы

Организация центрального процессора определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ ( состав и форматы команд, организация памяти ). Логическая структура включает ряд функциональных средств:

·средства обработки информации

·локальная память

·средства управления системой и программами

·управление интерфейсом и каналами

Структурно эти средства разбиваются на центральное устройство управления, АЛУ, внутреннюю память и управляющие устройства, связанные с конкретными устройствами вычислительной машины.

Центральное устройство управления принимает и расшифровывает команды, формирует адреса команд и операндов, формирует последовательности управляющих сигналов  и обеспечивает координацию работы всех функциональных узлов, посредством выработки синхронизирующих сигналов.

Внутренняя память входит в состав первого уровня и связана с АЛУ и другими блоками центрального процессора непосредственно и имеет скорость работы соизмеримую со скоростью работы блоков процессора.

·Управляющая память входит в состав центрального устройства управления и относится к классу постоянной памяти. Этот вид памяти используется для хранения микропрограмм. Ее отличает очень высокое быстродействие и небольшая емкость, определяющаяся количеством команд в системе команд центрального процессора.

·Регистровая память выполнена на триггерных элементах и входит  в состав центрального процессора. Емкость ее невысока, скорость высокая, но меньше, чем у управляющей памяти. Основной характеристикой данного типа памяти является разрядность

Арифметико-логическое устройство

Общие сведения, функции и классификация

Арифметико-логическое устройство функционально можно  разделить на две части :

а) микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

б) операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность  микрокоманд (команд).

Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на  рисунке 2. В состав АЛУ входят регистры Рг1 – Рг7, в которых обрабатывается информация , поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2, ...NS; логические  схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из  устройства управления.

Закон переработки информации задает микропрограмма М, которая записывается  в виде последовательности микрокоманд A1,A2, ..., Аn-1,An. При этом различают  два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают  в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации  (на рис. 2 микрокоманды A1,A2,..., Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный  порядок следования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки  в зависимости от результата вычислений j,w,Q и др. (j – признак переполнения,  w – признак отрицательного числа, Q – признак равенства 0 всех разрядов числа),  На рис. 2 эти микрокоманды обозначены р1, p2,..., рm.

Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, ...,уs, в ОЗУ.

Функции регистров, входящих в АЛУ:

·Рг1 – сумматор (или сумматоры) – основной регистр АЛУ, в котором образуется  результат вычислений;

·Рг2, РгЗ – регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости  от выполняемой операции);

·Рг4 – адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата;

·Ргб – k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;

·Рг7 – l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут  быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров является программно-доступной, то есть они могут  быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым. К ним относятся :

·сумматор,

·индексные регистры,

·некоторые вспомогательные регистры.

остальные регистры программно-недоступные, так как они не могут быть адресованы в программе . Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой  информации, по способу обработки информации и логической структуре. Подробная классификация АЛУ показана на рис. 3.

Сложность логической структуры АЛУ в определенной степени можно охарактеризовать  количеством отличающихся друг от друга микроопераций, необходимых для  выполнения всего комплекса задач, поставленных перед АЛУ. На входе каждого  регистра собраны соответствующие логические схемы, обеспечивающие такие связи  между регистрами, что позволяют реализовать заданный набор микроопераций.

Выполнение операций над словами сводится к выполнению последовательности  микрокоманд, которые управляют передачей слов в АЛУ и действиями по преобразованию слов. Порядок выполнения микрокоманд определяется алгоритмом выполнения  операций. Следовательно, связи между регистрами АЛУ и функции, которые должны  выполнять регистры, зависят в основном от принятой методики выполнения операций : арифметических, логических и специальной арифметики.

Перечень операций, выполняемых в АЛУ, зависит от назначения цифровой вычислительной  машины и от функций, выполняемых АЛУ при обеспечении работы  остальных устройств машины. При представлении операций в виде последовательностей  микроопераций АЛУ должно состоять из элементов; реализующих эти микрооперации.

Таким образом, структура АЛУ определяется набором микроопераций, необходимых  для выполнения заданных арифметических, логических и специальных операций , а задачу построения АЛУ можно свести к задаче определения набора микроопераций, который позволяет составить микропрограмму любой из заданных операций.  Такой набор легко получить. если записать микропрограммы всех операций, выполняемых в АЛУ, и выбрать из них все микрооперации, входящие в микропрограммы  хотя бы один раз. Однако, если при этом алгоритм операций выбирать произвольно,  то количество микроопераций, входящих в полный набор, может оказаться слишком  большим и, следовательно, АЛУ будет сложным.

Для получения более простой схемы АЛУ алгоритмы арифметических и логических  операций следует выбирать из условия получения минимального набора микроопераций. При этом необходимо учитывать требование обеспечения заданного быстродействия АЛУ: слишком ограниченный набор микроопераций может привести  к “длинным микропрограммам некоторых операций”, что увеличивает время выполнения  данных операций.

Алгоритмы сложения (вычитания) и умножения в АЛУ

Структурная схема микропрограммы сложения показана на рис. 4. Выполнение этого алгоритма состоит в следующем:

1.Первое слагаемое а устанавливается на Рг1, анализируется его знак: если знак отрицательный, то операнд инвертируется и передается на Рг3, если положительный - передается без инверсии через Рг2 на Рг3

2.Второе слагаемое также устанавливается на Рг1 и анализируется его знак: если знак отрицательный, то операнд инвертируется, если положительный - сразу начинается суммирование операндов на Рг2 ( сумматоре )

3.После суммирования анализируется знак результата: если результат отрицательный, то он инвертируется, если положительный - добавляется “+1” ЦП к младшему разряду результата и выполняется анализ признаков переполнения

4.В случае переполнения разрядной сетки машины формируется признак переполнения j, если переполнение отсутствует, то выполняется переход на конец микропрограммы сложения.

Для того, чтобы структурная схема, показанная на рис. 4 могла выполнять операцию вычитания, достаточно перед выполнением операции проинвертировать знак второго слагаемого.

Теперь рассмотрим алгоритм умножения. Умножение двоичных чисел с фиксированной запятой можно свести к последовательности сдвигов и сложений.. Наиболее удобен следующий алгоритм: умножение начинается с младших разрядов множителя, который сдвигается вправо, сумма частичных произведений также сдвигается вправо, множимое - неподвижно. На рис. 5 показана графическая интерпретация этого алгоритма.

1.В начале операции все регистры устанавливаются в нулевое состояние.

2.Множимое и множитель располагаются в определенных регистрах, предусматриваются также регистры, в которых образуется сумма частичных произведений.

3.Анализируется младший разряд множителя: если он имеет значение “1”, то к сумме частичных произведений прибавляется множимое.

4.Производится сдвиг суммы частичных произведений и множителя на один разряд вправо.

5.Действия 3 и 4 повторяются n раз ( n - разрядность сомножителей )

Структурная схема микропрограммы умножения показана на рис. 6. Ввиду громоздкости деление здесь не рассматривается.

Теперь, можно приступать к рассмотрению конкретного АЛУ, что и будет сделано. В качестве примера возьмем АЛУ цифрового сигнального процессора - специализированного процессора с RISC архитектурой, предназначенного для решения задач цифровой обработки сигналов. Трудно найти такую область техники, где не могли бы применяться сигнальные процессоры. Это цифровая фильтрация, кодирование и декодирование информации, обработка звука и распознавание речи, обработка изображений, медицина, измерительная техника, управляющие системы и многое другое.

Страницы: 1, 2, 3