Разработка микропроцессорного устройства

Введение

    В современном мире роль информатики, средств обработки, передачи, накопления информации неизмеримо возросла. Средства информатики и вычислительной техники  сейчас во многом определяют научно-технический  потенциал страны, уровень развития ее народного хозяйства, образ жизни и деятельности человека. Для целенаправленного использования информации ее необходимо собирать, преобразовывать, передавать, накапливать и систематизировать. Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, называются информационными процессами. Получение и преобразование информации является необходимым условием жизнедеятельности любого организма. Даже простейшие одноклеточные организмы постоянно воспринимают и используют информацию, например, о температуре и химическом составе среды для выбора наиболее благоприятных условий существования. Живые существа способны не только воспринимать информацию из окружающей среды с помощью органов чувств, но и обмениваться ею между собой. Человек также воспринимает информацию с помощью органов чувств, а для обмена информацией между людьми используются языки. За время развития человеческого общества таких языков возникло очень много. Прежде всего, это родные языки (русский, татарский, английский и др.), на которых говорят многочисленные народы мира. Роль языка для человечества исключительно велика. Без него, без обмена информацией между людьми было бы невозможным возникновение и развитие общества. Информационные процессы характерны не только для живой природы, человека, общества. Человечеством созданы технические устройства - автоматы, работа которых также связана с процессами получения, передачи и хранения информации. Деятельность человека, связанную с процессами получения, преобразования, накопления и передачи информации, называют информационной деятельностью.

    Новой эрой в развитии обмена информацией  стало изобретение книгопечатания. Благодаря печатному станку, знания, информация стали широко тиражируемыми, доступными многим людям. Это послужило  мощным стимулом для увеличения грамотности населения, развития образования, науки, производства. В результате научно-технического прогресса человечество создавало все новые средства и способы сбора, хранения, передачи информации. Но важнейшее в информационных процессах - обработка, целенаправленное преобразование информации осуществлялось до недавнего времени исключительно человеком. Вместе с тем постоянное совершенствование техники, производства привело к резкому возрастанию объема информации, с которой приходится оперировать человеку в процессе его профессиональной деятельности. В настоящее время компьютеры используются для обработки не только числовой, но и других видов информации. Благодаря этому информатика и вычислительная техника прочно вошли в жизнь современного человека, широко применяются в производстве, проектно-конструкторских работах, бизнесе и многих других отраслях. Компьютер находится на рабочем столе специалиста любой профессии. Он позволяет связаться по специальной компьютерной почте с любой точкой земного шара, подсоединиться к фондам крупных библиотек, не выходя из дома, использовать мощные информационные системы - энциклопедии, изучать новые науки и приобретать различные навыки с помощью обучающих программ и тренажеров. Модельеру он помогает разрабатывать выкройки, издателю компоновать текст и иллюстрации, художнику - создавать новые картины, а композитору - музыку. Дорогостоящий эксперимент может быть полностью просчитан и имитирован на компьютере. Разработка способов и методов представления информации, технологии решения задач с использованием компьютеров, стала важным аспектом деятельности людей многих профессий.

1 Формализация задачи

    Даны  два массива чисел числа восьмиразрядные со знаком. Количество чисел в массивах одинаковое и равно N. Найти сумму положительных чётных в первом массиве и положительных нечётных чисел во втором массиве. Сравнить суммы между собой.

    Разработать микропроцессорное устройство, выполняющее операции вычисления целых чисел, используя:

   - Принцип  схемной логики;

   - Принцип  программируемой логики.

    В процессорное устройство необходимо включить логические элементы для формирования адресов ячеек памяти.

2 Два подхода к построению процессорного устройства

     Существует  два принципиально разных подхода  к проектированию микропроцессорного устройства: использование принципа схемной логики и использование принципа программируемой логики.

     В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор  цифровых микросхем (обычно малой и  средней степени интеграции) и  определяется такая схема соединения их вводов, которая обеспечивает требуемое  функционирование (т. е. функционирование микропроцессора определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, основанные на таком принципе схемной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессора состоит в трудности использования БИС (больших интегральных схем) и СБИС (сверхбольших интегральных схем). Это связано с тем, что при использовании схемного принципа каждый разрабатываемый процессор окажется индивидуальным по схемному построению и потребует изготовления индивидуального типа БИС. Тогда выпускаемые промышленностью БИС окажутся узкоспециализированными, число выпускаемых типов БИС будет большим, а потребность в каждом типе БИС окажется низкой. Выпуск многих типов БИС малыми сериями по каждому типу для промышленности окажется экономически невыгодным.

      Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому подходу в проектировании цифровых устройств, основанному на использовании принципа программируемой логики. Этот подход предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование обеспечивается занесением в память устройства определённой программы. В зависимости от введённой программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых разнообразных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, окажется небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой, что обеспечит целесообразность их выпуска промышленностью.

     Процессор, построенный на одной или нескольких БИС, называется микропроцессором.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Синтез операционного устройства

     Операционным называют устройство, предназначенное для выполнения каких-либо операций.

     Операционные  устройства могут быть простыми, предназначенными для выполнения конкретного алгоритма над определённым видом информации, и сложными, предназначенными для выполнения множества алгоритмов над информацией разного вида.

     Любое операционное устройство представляет собой цифровой автомат. К простым  операционным устройствам относятся, например, счётчики, регистры. Простые  операционные устройства не требуют какого-либо управления, в отличие от сложных.

     Сложное операционное устройство состоит из двух частей: из операционного автомата, реализующего алгоритм, и из управляющего автомата, отвечающего за поведение  операционного автомата.

     Сложные операционные устройства бывают последовательные, т. е. с многотактовым выполнением своих функций, или параллельными, или однотактовыми. Часто используются промежуточные, параллельно-последовательные формы операционных устройств.

     Процесс функционирования операционного устройства распадается на последовательность элементарных действий в его узлах, например:

     1). Установка регистра в некоторое  состояние;

     2). Инвертирование содержимого разрядов  регистра;

     3). Пересылка содержимого из одного  узла в другой;

     4). Сложение;

      5). Сравнение содержимого регистра  с некоторым числом;

     6). Некоторые логические действия (операции  дизъюнкции, конъюнкции, эквивалентности и др.).

     Каждое  такое элементарное действие, выполняемое  в одном из узлов операционного  устройства в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.

     Совокупность  нескольких одновременно выполняемых  операций называется микрокомандой, а набор микрокоманд, предназначенный для решения определённой задачи, называется микропрограммой.

     Для синтеза операционного устройства нужно чётко знать, какие операции выполняются и в какой последовательности.

     Синтез  операционного устройства включает в себя построение алгоритма операционного  устройства. Прежде, чем строить  алгоритм, операционное устройство разбивается  на отдельные блоки.