Проектування комп'ютера

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

КАФЕДРА "ЕЛЕКТРОННІ ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ МАШИНИ"

 

 

 

 

 

Пояснювальна записка

до курсової роботи з дисципліни

“Архітектура комп’ютерів” на тему:

“Проектування комп’ютера”

 

 

 

 

Виконав:

ст. гр. КІ-34

Тітко М. І.

Прийняла:

ст. викл.

Ногаль М. В.

Львів 2010

Анотація

Курсовий проект з дисципліни "Архітектура комп’ютера являє собою підсумок у вивченні предмету "Архітектура комп’ютерів ч.1". Протягом його виконання необхідно засвоїти знання про принципи дії та архітектуру прототипних варіантів CISC - комп’ютера. Також під час виконання курсової роботи необхідно зрозуміти та опанувати інструкції асемблерної мови і принцип трансляції асемблерної програми у машинний код.

Даний курсовий проект складається з трьох частин:

ü  Розробка програми-асемблера, яка перетворює вхідний асемблерний код програми у відповідний код на мові машинних інструкцій.

ü  Розробка поведінкового симулятора результуючого машинного коду.

ü  Розробка тестової програми на асемблерній мові.

Також до записки з курсової роботи входять додатки, з вихідними кодами програми-асемблера, симулятора і кодом тестової програми з результатами її виконання.

Зміст

Вступ

Система команд

Способи адресації

Вихідні дані на проектування

Роз'яснення та аналіз основних принципів побудови комп'ютерів на прикладі визначених на реалізацію інструкцій

Перевірка правильності роботи реалізованих команд у прикладах

Висновок

Література

Додатки

Вступ

Архітектурні принципи

В ході виконання даного курсового проекту студент має ознайомитись та опанувати архітектуру CISC - комп’ютера. Приведемо основні принципи даної архітектури, які запропонував Джон фон Нейман:

1.  Інформація кодується в двійковому представленні.

2.  Інформація в комп’ютері ділиться на команди і дані.

3.  Різнотипні за змістом слова розрізняються за способом застосування, а не по способу кодування.

4.  Слова інформації розміщаються в комірках пам’яті та ідентифікуються номерами комірок - адресами слів.

5.  Пам’ять є лінійною.

6.  Пам’ять має довільну адресацію.

7.  Команди і дані зберігаються в одній пам’яті.

8.  Алгоритми представляються у вигляді послідовності керуючих слів, як називаються командами. Команда визначається найменуванням операції та слів інформації, які в ній приймають участь. Алгоритм записаний у вигляді послідовності команд, називається програмою.

9.  Весь набір виконуваних комп’ютером команд називається системою команд комп’ютера.

10.  Виконання обчислень, які визначені алгоритмом, являють собою послідовне виконання команд в порядку визначеному програмою.

Для виконання задачі на комп’ютері необхідно:

-  забезпечити вибірку команди програми із його пам’яті в заданій послідовності, організувати звернення до неї за відповідними адресами;

-  забезпечити розпізнавання типів виконуваних операцій;

-  організувати звернення до пам’яті за відповідними адресами для вибірки необхідних для виконання кожної команди даних;

-  організувати виконання над даними операцій відповідно до вказівок команд;

-  запам’ятати результат обчислень.

Комп'ютер виконує кожну команду як послідовність простих операцій:

1.  Вибірка чергової команди із основної пам'яті.

2.  Визначення типу вибраної команди, тобто її дешифрування.

3.  Визначення адрес даних, необхідних для виконання цієї команди.

4.  Виконання операцій пересилання даних (зчитування даних із пам'яті в регістри процесора).

5.  Виконання операції відповідно до її коду в полі коду операції команди.

6.  Визначення адрес, за якими запам'ятовуються результати.

7.  Запам'ятовування результатів.

8.  Підготовка до виконання наступної команди, тобто обчислення її адреси.

Для процесора комп'ютера із складною системою команд характерні наступні

особливості:

-  виконання команди за багато тактів, оскільки для цього потрібно здійснити багаторазові операції звернення до основної пам'яті та до програмно-доступних регістрів процесора;

-  орієнтація АЛП на виконання великої кількості операцій, що пов'язано з розширеним складом системи команд;

-  складна система розпізнавання команди, що пов'язано з великою кількістю методів адресації та великою кількістю форматів команд різної розрядності;

-  програмне дешифрування команд з метою зменшення затрат обладнання;

-  складна організація конвеєризації виконання команд, що пов'язано, в першу чергу, з різнотипністю їх виконання;

-  орієнтація структури на виконання команд типу регістр-пам'ять та пам'ять-пам'ять.

Основні елементи процесора - арифметико-логічний пристрій, пристрій керування і регістрова пам'ять або, як її ще називають, надоперативний запам'ятовуючий пристрій. До складу регістрової пам'яті, в свою чергу, входять наступні вузли - програмний лічильник, регістри: адреси, команди, даних, слова стану програми, а також регістровий файл, який складається з програмно доступних регістрів.

Структура регістрової (надоперативної) пам'яті процесора складається з регістрів спеціального та зального призначення. До регістрів спеціального призначення належать:

-  регістри адреси (РгА);

-  регістри команд (РгК);

-  програмний лічильник (ПЛ)

-  регістри даних (РгД).

РгА зберігає адресу даного або команди при зверненні до основної пам'яті. РгД зберігає операнд при його запису або зчитуванні з основної пам'яті. В ролі операнда може бути дане, команда або адреса. РгК зберігає команду після її зчитування з основної пам'яті. ПЛ підраховує команди та зберігає адресу поточної команди. Комп'ютер з архітектурою Джона фон Неймана має один програмний лічильник.

Більшість комп'ютерів мають в складі процесора тригери для зберігання бітів стану процесора, або, як їх іще називають, прапорців. Кожен прапорець має спеціальне призначення. Частина прапорців вказує на результати арифметичних і логічних операцій: додатній результат (Р), від'ємний результат (N), нульовий результат (Z), перенос (С), арифметичне переповнення (V), і т.д. В системі команд комп'ютера є команди, які вказують процесору коли встановити чи скинути ці тригери. Інша частина прапорців вказує режими захисту пам'яті. Існують також прапорці, які вказують пріоритети виконуваних програм. В деяких процесорах додаткові тригери служать для зберігання кодів умов, формуючи регістр кодів умов. Взяті разом описані прапорці формують слово стану програми (ССП), а відповідні тригери - регістр ССП. Регістри загального призначення (РЗП) є програмно доступними. Зазвичай їх називають регістровим файлом. Вони можуть використовуватись програмістом в якості регістрів для зберігання даних.

Система команд

Різноманітність типів даних, форм представлення та опрацювання, необхідні дії для обробки та керування ходом виконання обчислень призводить до необхідності використання різноманітних команд - набора команд.

Кожен процесор має власний набір команд, який називається системою команд процесора.

Система команд характеризується трьома аспектами:

-  формат,

-  способи адресації,

-  система операцій.

Форматом команди - є довжина команди, кількість, розмір, положення, призначення та спосіб кодування полів. Команди мають включати наступні види інформації:

-  тип операції, яку необхідно реалізувати в даній команді (поле команду операції - КОП);

-  місце в пам’яті звідки треба взяти перший операнд (А1);

-  місце в пам’яті звідки треба взяти другий операнд (А2);

-  місце в пам’яті куди треба помістити результат (А3).

Кожному з цих видів інформації відповідає своя частина двійкового слова - поле. Реальна система команд зазвичай має команди декількох форматів, тип формату визначає КОП.

Команда в комп'ютері зберігається в двійковій формі. Вона вказує тип операції, яка має бути виконаною, адреси операндів, над якими виконується операція, та адреси розміщення результатів виконання операції. Відповідно до цього команда складається з двох частин, коду операції та адресної частини.

КОП займає k розрядів. Ним може бути закодовано до N = 2^k різних операцій. Кількість двійкових розрядів, які відводяться під код операції, вибирається таким чином, щоб ними можна було закодувати всі виконувані в даному комп'ютері операції. Якщо деякий комп'ютер може виконувати N_c різних операцій, то мінімальна розрядність поля коду операції k визначається наступним чином: k = [log N_c], де вираз в дужках означає заокруглення до більшого цілого.

Поле адреси (адресна частина) займає m розрядів. В ньому знаходяться адреси операндів. Кожна адреса займає m_i розрядів, де і - номер адреси (і=1,2,. n), n - кількість адресних полів. Кожною адресою можна адресувати пам'ять ємністю 2^nі слів.

Розмір команди k + m повинен бути узгодженим з розміром даних, тобто бути з ним однаковим або кратним цілому числу, що спрощує організацію роботи з пам'яттю. Як правило, розмір команди рівний 8, 16, 32 біти.

При написанні програми крім двійкової можуть використовуватись й інші форми представлення команд: вісімкова, шістнадцяткова, символьна (мнемонічна). Використання вісімкового і шістнадцяткового кодування дозволяє скоротити записи і спростити роботу програміста. Як відомо 3 двійкових розряди (тріада) замінюються на 1 вісімковий, а 4 двійкових розряди (тетрада) - на 1 шістнадцятковий. Приклад:

(000011111111) ₂= (0377) ₈= (0FF) ₁₆;

Мнемонічне кодування спрощує процес написання, читання і відлагодження програми. Основний принцип такого кодування - кожна команда представляється 3-х або 4-х буквеним символом, який показує назву команди. Деякі приклади мнемонічного кодування:

ADD - додати (add),

SUB - відняти (subtract),

MPY - перемножити (multiply),

DIV - поділити (divide).

Операнди також представляються символічно. Наприклад команда ADD R Y означає додавання вмісту комірки пам'яті Y до вмісту регістра R. Зауважимо, що операція виконується над вмістом, а не над адресою комірки пам'яті та регістра.

Таким чином, з'являється можливість написання машинних програм в символічній формі. Повний набір символічних назв і правила їх використання утворюють мову програмування, відому як асемблерна мова. Символічні імена називаються мнемонічними, а правила їх використання для створення команд і програм називаються синтаксисом мови.

Програма, яка переводить із мнемонічного коду асемблерної мови в машинний, називається асемблером. Команди, які використовуються для переводу вихідної програми в асемблерну, називаються командами асемблера. Ці команди вказують як інтерпретувати назви, де розмістити програму в пам'яті, яка кількість комірок пам'яті необхідна для зберігання даних.

 

Способи адресації

Варіанти інтерпретації бітів (розрядів) поля адреси з метою знаходження операнда називаються способами адресації. Коли команда вказує на операнд, він може знаходитись в самій команді, в основній або зовнішній пам'яті чи в регістровій пам'яті процесора. За роки існування комп'ютерів була створена своєрідна технологія адресації, яка передбачає реалізацію різних способів адресації, чому послужило ряд причин: забезпечення ефективного використання розрядної сітки команди; забезпечення ефективної апаратної підтримки роботи з масивами даних; забезпечення задання параметрів операндів; можливість генерації великих адрес на основі малих. Існує велика кількість способів адресації. Розглянемо п’ять основних способів адресації операндів в командах.

Пряма - в цьому випадку адресне поле зберігає адресу операнда. Її різновидом є пряма регістрова адресація, яка адресує не комірку пам’яті а номер регістру.

Безпосередня - в поле адреси команди поміщається не адреса, а сам операнд.

Непряма - в полі адреси команди зберігається адреса комірки пам’яті в якій знаходиться адреса операнда. Такій спосіб дозволяє оперувати з адресами як з даними. Різновид непряма-регістрова адресація, адреса адреси зберігається в регістрі загального призначення.

Відносна - адреса формується, як сума з двох доданків: бази, яка зберігається в спеціальному регістрі чи в одному з регістрів спеціального призначення, та зміщення, яке задається в полі адреси команди. Різновид індексна та базова індексна. При індексній замість базового регістра є індексний, який автоматично модифікується (зазвичай збільшується на 1). Базова-індексна адресація формується адреса як сума трьох доданків: бази, індексу та зміщення.

Безадресна - поле адреси в команді відсутнє. Адреса операнда, або немає змісту або є по замовчуванню (наприклад дії на спеціальним регістром - акумулятором). Безадресні команди неможливо використати для інших регістрів чи комірок пам’яті. Одним з різновидів безадресної адресації є використання стеку. В команду вводяться спеціальні ознаки з тим, щоб пристрій керування міг розпізнати використаний спосіб. Це можуть бути додаткові розряди в команді, або для різних типів команд закріплюватись різні способи адресації.

Вихідні дані на проектування

Варіант №9
№	Арифметичні			Логічні			Керування		Прапорці				Адресація
	1	2	3	4	5	6	7	8		1	2	3
9	3	5	9	1	2	17	2	10	ZF	2	3	5	1

1.  Реалізація додаткових команд. Необхідно реалізувати 8 додаткових команд. Серед них 3 арифметичні, 3 логічні та 2 команди керування згідно варіанту. В таблиці представлено повний перелік множини інструкцій.

№	Код інструкції	Двійкове значення	Зміст	Тип
1	ADD	00000	Додає вміст регістру regA до вмісту regB, та зберігає в destReg	R
2	DIV	01000	Беззнакове ділення destReg=regA/regB	R
3	IMUL	01001	Знакове множення destReg=regA*regB	R
4	XIDIV	01010	Знакове ділення і обмін операндів місцями destReg=regA/regB	R
5	AND	01011	Побітове логічне І: destReg=regA & regB	R
6	NAND	00001	Виконує логічне побітове І-НЕ вмісту regA з вмістом regB, та зберігає в destReg	R
7	XOR	01100	Додавання по модулю 2: destReg=regA # regB	R
8	CMPGE	01101	Порівняти regA regB destReg= regA >= regB	R

Інструкції R-типу:

біти 24-22: код операції

біти 21-19: reg A

біти 18-16: reg B

біти 15-3: не використовуються (=0)

біти 2-0: destReg

№	Код інструкції	Двійкове значення	Зміст	Тип
9	LW	00010	Завантажує regB з пам’яті. Адреса пам’яті формується додаванням зміщення до вмісту regA.	I
10	SW	00011	Зберігає вміст регістру regB в пам’ять. Адреса пам’яті формується додаванням зміщення до вмісту regA.	I
11	BEQ	00100	Якщо вміст регістрів regA та regB однаковий, виконується перехід на адресу програмний лічильник (ПЛ) + 1+зміщення, в ПЛ зберігається адреса поточної тобто beq інструкції.	I
12	JMAE	01110	Беззнакове більше/рівно if (regA>= regB) PC=PC+1+offSet	I
13	JMNAE	01111	Беззнакове не більше/рівно if (regA! >= regB) PC=PC+1+offSet	I
14	JNE	10010	Перейти, якщо більше чи рівно, if (ZF! =0) PC=offset	I

I-тип інструкцій:

біти 24-22: код операції

біти 21-19: reg A

біти 18-16: reg B

біти 15-0: зміщення (16 біт, значення від - 32768 до 32767)

offset

№	Код інструкції	Двійкове значення	Зміст	Тип
15	JARL	00101	Спочатку зберігає ПЛ+1 в regB, в ПЛ адреса поточної (jalr) інструкції. Виконує перехід на адресу, яка зберігається в regA. Якщо в якості regA regB задано один і той самий регістр, то спочатку в цей регістр запишеться ПЛ+1, потім виконається перехід до ПЛ+1.	J
16	BSF	10000	Побітове сканування в прямому (від молодших до старших) напрямку regA в пошуках біта з 1, повертає номер позиції в destReg. Якщо 1 знайдено ZF=1, інакше ZF=0	J
17	BSR	10001	Побітове сканування в зворотньому напрямку (від старших до молодших) regA в пошуках біта з 1, повертає номер позиції в destReg. Якщо 1 знайдено ZF=1, інакше ZF=0	J

J-тип інструкцій:

біти 24-22: код операції

біти 21-19: reg A

біти 18-16: reg B

біти 15-0: не використовуються (=0)

unused

Додатковий тип адресації - безадресна (реалізація стеку). Ця адресація имагає двох додаткових інструкцій: PUSH, POP.

№	Код інструкції	Двійкове значення	Зміст	Тип
18	HALT	00110	Збільшує значення ПЛ на 1, потім припиняє виконання, стимулятор має повідомляти, що виконано зупинку.	O
19	NOOP	00111	Нічого не виконується	O
20	PUSH	10011	Записати в стек з 1 регістру	O
21	POP	10100	Зчитати з стеку в 1 регістр	O

O-тип інструкцій:

біти 24-22: код операції

біти 21-0: не використовуються (=0)

unused

\ Роз'яснення та аналіз основних принципів побудови комп'ютерів на прикладі визначених на реалізацію інструкцій

Структура СК після модифікації:

Рис 1. Функціональна схема СК після модифікації

В СК було додано 13 інструкцій, внаслідок чого поле КОП збільшилося на 2 біти до 5 біт (максимально 32 інструкції з яких використано 21). Решта частина коду операції не зазнала зміни. Був доданий стек глибиною 32 слова по 32 біти, покажчик вершини стеку, прапорець стану ZF.

Перевірка правильності роботи реалізованих команд у прикладах