Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни Архітектура комп’ютерів, ПНТУ ім. Ю. Кондратюка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка 

Кафедра комп’ютерної інженерії

Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни

«АРХІТЕКТУРА КОМП’ЮТЕРІВ»

для студентів напряму підготовки
6.050102 «Комп’ютерна інженерія»

Полтава 2013

Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни «Архітектура комп’ютерів» для студентів напряму підготовки 6.050102 «Комп’ютерна інженерія». – Полтава: ПолтНТУ, 2013. – 22 с.

ЗМІСТ 

ВСТУП 

Курсова робота «Основи проектування процесорного пристрою» з нормативної дисципліни «Архітектура комп’ютерів» виконується студентами напряму підготовки 6.050102 «Комп’ютерна інженерія» в V семестрі навчання.

Мета курсової роботи – узагальнення теоретичних знань та поглиблення практичних навичок щодо застосування основних принципів проектування однокристальних процесорів.

Об’єкт дослідження – архітектура однокристального процесорного пристрою загального призначення або для убудованих застосувань (призначення розроблювального процесора визначається варіантом завдання).

Узагальнений результат курсової роботи – архітектурно-алгоритмічний опис однокристального процесорного пристрою, що має задані характеристики.

Архітектурно-алгоритмічний опис складається з наступних частин:

-  архітектурного опису,

-  опису програмної (регістрової) моделі,

-  опису системи команд.

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ОРГАНІЗАЦІЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТУВАННЯ 

Курсова робота (КР) – самостійне навчально-наукове дослідження визначеної проблеми (задачі), що виконується з однієї або кількох навчальних дисциплін одного спрямування під керівництвом викладача на основі набутих студентом знань та умінь.

КР є нормативним видом самостійної навчально-дослідницької роботи студентів та, згідно з наказом МОН України № 161 «Положення про організацію навчального процесу у вищих навчальних закладах», від 2.06.1993 р. виконується з метою закріплення, поглиблення й узагальнення знань, одержаних студентами за час навчання та їх застосування у комплексному вирішенні конкретного фахового завдання. Вона спрямована на виявлення здатності студента до самостійного осмислення проблеми, творчого, критичного її дослідження; до аналізу та систематизації наукових джерел; до застосування отриманих знань для вирішення практичних завдань за фахом, що складає критеріальну основу оцінки рівня виконаних робіт.

КР, що виконується на ІІ-му або ІІІ-му курсі навчання, як правило, має теоретичний характер і спрямована на оволодіння первинними навичками дослідницької роботи переважно з інформаційними матеріалами, яка не повинно зводитися до реферування наукових джерел. КР повинна містити самостійний аргументований виклад матеріалу відповідно до зазначеної мети. При цьому студент має продемонструвати володіння способами відбору, групування та узагальнення інформації, навчитися знаходити невирішені проблеми і дискусійні питання у досліджуваному полі, визначати підходи до їх вирішення.

Матеріали КР можуть бути використані для подальшої навчально-дослідницької роботи студента – розробки кваліфікаційних робіт.

Терміни виконання окремих етапів курсової роботи та дата захисту визначаються «Графіком ритмічності виконання курсових проектів і робіт студентами ПолтНТУ» у відповідному семестрі поточного навчального року, який видається в навчальні групи викладачем (керівником) одночасно з видачею завдання на курсову роботу.

КР у зшитому вигляді подається на кафедру не пізніше, ніж за 10 днів до дати захисту, реєструється працівником лабораторії кафедри у спеціальному журналі реєстрації курсових і контрольних робіт. КР з позначкою про дату реєстрації передається на оцінювання викладачу (керівнику). У разі порушення студентом зазначених термінів, КР до захисту не допускається, а дата захисту таких КР визначається окремо, однак не пізніше останнього дня семестру, у якому заплановане її виконання.

Порядок і процедура захисту КР визначається кафедрою. В загальному випадку, захист передбачає стислу доповідь студента за виконаною роботою до 10 хв. (аналіз завдання на КР, результати розрахунку основних параметрів і т. ін.) та відповідей на запитання викладача (керівника). Оцінка виставляється за результатами захисту з урахуванням повноти та якості опрацювання завдання, спроможності студента захищати розроблену роботу, рівня якості оформлення текстової та графічної частин, а також реальності та адекватності отриманих результатів. Загальними критеріями оцінки якості виконання КР є:

-  рівень складності виконаної роботи (виходячи з її структури, постановки та виконання мети та завдань, системності);

-  наявність всіх складових структурних елементів КР;

-  культура та грамотність написання тексту;

-  відповідність висновків правилам їх оформлення;

-  рівень і повнота використання бази джерел інформації;

- рівень засвоєння етичних норм використання джерел інформації із посиланням на них в основній частині роботи;

-  оцінка якості та доцільності системи ілюстративних матеріалів;

- правильність оформлення таблиць, рисунків, додатків, списку використаних джерел;

-  самостійність у плануванні роботи та виконанні її завдань;

- дотримання графіка виконання роботи, встановленого викладачем (керівником);

- лаконічність (дотримання вимог до обсягу; доцільність у пропорціях окремих частин роботи; чи багато в роботі необов’язкового, другорядного матеріалу);

- рівень володіння змістом, якість презентації курсового дослідження під час захисту.

Оцінка, отримана студентом за результатами виконання та захисту КР, заноситься у відомість обліку успішності студентів та в індивідуальний навчальний план студента.

Захищені КР (КП) з зазначеними на титульному аркуші датою захисту та оцінкою зберігаються відповідно до вимог керівних документів ПолтНТУ ім. Юрія Кондратюка.

КР повертається на доопрацювання, якщо вона не відповідає варіанту завдання, має суттєві помилки, самовільно змінена тема, або є факт плагіату. В цьому випадку, студент повинен переробити КР, керуючись зауваженнями викладача, та здати проект повторно на перевірку.

Більш докладно загальні відомості про організацію курсового проектування викладені в [14].

2. ОСНОВНІ ВИМОГИ ДО СТРУКТУРИ КУРСОВОЇ РОБОТИ 

Структура КР передбачає: титульний аркуш, завдання, реферат, зміст, перелік скорочень і умовних позначень, вступ, основну частину, висновки, список використаних джерел, додатки. Зазначені структурні елементи мають наступний зміст.

ЗМІСТ, ВСТУП, ВИСНОВКИ, СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ і ДОДАТКИ, а також основна частина оформлюються відповідно до п. 1.1 навчально-методичного посібника [14].

ТИТУЛЬНИЙ АРКУШ оформлюється за формою Н-6.01 згідно Наказу МОНМС № 384 «Про затвердження форм документів з підготовки кадрів у вищих навчальних закладах І-ІV рівнів акредитації» від 29.03.12 р. Приклад оформлення наведений на рис. Б.1. Формат бланка має параметри: А4 (210297 мм), 2 сторінки.

ЗАВДАННЯ на КР повинно містити: вихідні дані, які відповідають вказаному викладачем варіанту; перелік питань, що повинні бути розроблені; перелік графічного матеріалу, терміни виконання, підписи студента, викладача. Приклад оформлення наведений на рис. Б.2.

РЕФЕРАТ має обсяг 0,5-1 сторінки та повинен стисло відображати загальну характеристику та основний зміст роботи: відомості про обсяг пояснювальної записки, кількість рисунків, таблиць, креслень, додатків і бібліографічних найменувань за списком використаних джерел; мету роботи, використані методи та отримані результати (характеристика об’єкту проектування, нові якісні та кількісні показники, економічний ефект тощо); рекомендації щодо використання або (та) результати впровадження розробок або досліджень (публікації та інше); перелік ключових слів (до 20).

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ, УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ. Загальний обсяг його не повинен перевищувати 1-1,5 сторінки.

Обсяг КР (з урахуванням додатків при їх наявності) становить 30-50 сторінок. Більш докладні відомості про оформлення деяких структурних елементів КР наведено в Додатку А навчально-методичного посібника [14].

3. ВМІСТ ЗАВДАННЯ НА КУРСОВУ РОБОТУ ТА РЕЗУЛЬТАТИ, ЩО НЕОБХІДНО ОТРИМАТИ 

Вихідні дані для виконання курсової роботи визначаються загальними вимогами до розроблюваного процесора та конкретизуються варіантами завдання.

Структура та система команд розроблюваного процесора мають бути максимально наближені до «ідеальної» RISC – архітектури, яка передбачає:

- рівноправність всіх регістрів загального призначення (РЗП);

- функціональну повноту системи команд без надмірності (надлишкового дублювання);

- однаковий час виконання команд;

- відокремлення операцій звернення до пам’яті від операцій оброблювання та перетворення даних;

- виконання максимальної кількості команд за принципом «регістр – регістр».

Варіанти завдання подані таблицею А1. Для всіх варіантів визначається тип архітектури пам’яті (нейманівська або гарвардська), розрядність (формати) даних, що підтримуються, максимальна адресність команд, способи адресації операндів, кількість РЗП та їх розрядність, спосіб організації введення-виведення (ізольоване або по аналогії з пам’яттю), глибина конвеєризації (кількість ступенів конвеєра команд).

Тип архітектури пам’яті фактично визначає призначення процесора. Нейманівська архітектура (спільна пам'ять та спільна шина даних і команд), характерна для процесорних пристроїв загального призначення. Процесори для убудованих застосувань найчастіше мають пам'ять гарвардської архітектури (роздільну пам'ять та роздільні шини команд та даних; шини адрес пам’яті команд та пам’яті даних взагалі можуть бути як об’єднаними, так і розділеними).

Гарвардська архітектура пам’яті спрощує організацію конвеєра команд (випереджальна вибірка команд із пам’яті та розташування їх в черзі команд може здійснюватися одночасно зі зверненнями до пам’яті даних, необхідними для виконання попередніх команд). Така організація пам’яті усуває конфлікти при зверненні до пам’яті, що мають місце при використанні нейманівської архітектури, але не усуває проблем, пов’язаних з реалізацією команд переходів.

Для варіантів завдання з нейманівською архітектурою пам’яті задається обсяг основної пам’яті, для процесорів з гарвардською архітектурою – окремо обсяг пам’яті команд та пам’яті даних.

У загальному випадку апаратно можуть підтримуватися шість основних форматів даних.

- 8-розрядні числа зі знаком та без знака;

- 16-розрядні числа зі знаком та без знака;

- 32-розрядні числа зі знаком та без знака;

- 64- розрядні числа зі знаком та без знака;

- 32- розрядні числа в форматі з рухомою комою;

- 64- розрядні числа в форматі з рухомою комою.

Конкретний набір форматів, що підтримується визначається варіантом завдання.

Поняття адресності (кількості адрес у команді) відноситься до операційних команд, тобто команд, що виконують дії оброблення даних (арифметичних, порівняння та логічних). Наприклад, немає сенсу використовувати трьохадресний формат для команд умовних та безумовних переходів. Таким чином, задана адресність для розроблюваної системи команд є максимальною.

Взагалі у завданні передбачено чотири способи адресації: відносна, безпосередня; пряма та непряма адресація. Основним типом адресації є відносна, вона має підтримуватися для всіх розроблюваних процесорних пристроїв. Наявність чи відсутність інших способів адресації визначається варіантом завдання. Реалізація безпосередньої адресації в тих варіантах, де вона не передбачена завданням, доцільна тільки з метою забезпечення функціональної повноти системи команд. Наприклад, якщо пропонується наявність регістрів управління, необхідно реалізувати механізми їх завантаження.

Для регістрової пам’яті задано кількість РЗП (універсальних, що призначені для збереження як даних, так і адрес) та їх розрядність. Кількість, призначення та розрядність спеціалізованих регістрів (наприклад, стану та управління) визначається та обґрунтовується виконавцем.

При необхідності, з метою забезпечення функціональної повноти системи команд при обмежених апаратних ресурсах, припустиме введення в архітектуру та програмну модель процесора функціонально-орієнтованих РЗП (наприклад, регістрів даних, індексів, бази, покажчика стека), але такі рішення мають бути обґрунтованими.

Введення-виведення може бути або ізольованим, або по аналогії з комірками пам’яті. Ізольоване введення-виведення припускає використання спеціальних команд введення – виведення, ідентифікація звернення до регістрів зовнішніх пристроїв здійснюється по коду операції.

Організація введення-виведення по аналогії зі зверненням до комірок основної пам’яті (пам’яті даних) припускає використання єдиного адресного простору для комірок пам’яті та портів введення-виведення. В цьому випадку адресний простір розподіляється між комірками пам’яті та регістрами зовнішніх пристроїв. Даний підхід дозволяє по коду адреси визначити, виконується звернення до комірки пам’яті або до регістра зовнішнього пристрою, не вимагає спеціальних команд введення-виведення та надає можливість застосовувати різні способи адресації при зверненні до портів. Але при цьому виникають додаткові проблеми у функціонуванні кеш-пам’яті та віртуальної пам’яті.

Розгляд питань організації та функціонування системи переривань, віртуальної пам’яті, кеш-пам’яті не є обов’язковим, але, у разі необхідності, обґрунтовані пропозиції щодо них можуть бути включені в роботу за власним бажанням виконавця.

В процесі виконання КР розробляються наступні питання:

Архітектурний опис однокристального процесорного пристрою:

- формати команд і даних,

- узагальнений алгоритм функціонування процесора та алгоритми виконання команд, що належать до різних груп,

- внутрішня організація процесора (до структурного рівня) з визначенням характеристик окремих його вузлів,

- організація конвеєра команд.

Програмна (регістрова) модель процесорного пристрою:

- РЗП, їх характеристики та особливості використання функціонально-орієнтованих регістрів;

- системні регістри, їх призначення, характеристики та особливості використання;

- структура регістра прапорців.

Система команд процесорного пристрою, включаючи семантику їх виконання та встановлення прапорців.

Перелік обов’язкового графічного матеріалу:

1. Структурна схема процесорного пристрою.

2. Таблиця форматів команд та даних, що підтримуються процесором.

3. Схема програмної моделі процесорного пристрою.

4. Таблиця «Система команд процесорного пристрою».

Інші графічні матеріали (креслення, рисунки, таблиці), що пояснюють окремі розроблювані питання, включаються в роботу за власним бажанням виконавця (в межах рекомендованого обсягу КР).

4. ЕТАПИ ВИКОНАННЯ КУРСОВОЇ РОБОТИ 

Всі основні поняття, принципи та методи, що використовуються та застосовуються в КР (наприклад: гарвардська або нейманівська архітектура, способи адресації, ізольоване введення-виведення або по аналогії з пам’яттю та інші) мають супроводжуватися їх стислим та зрозумілим описом (визначенням). Позначення, що застосовуються в таблиці, мають бути включені в загальний ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ І УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ. 

4.1. Архітектурний опис однокристального процесорного пристрою 

По-перше, на цьому етапі необхідно уточнити структуру та розрядність внутрішньої шини процесора.

До всього обсягу основної пам’яті (пам’яті даних), визначеного варіантом завдання, необхідно забезпечити доступ в режимі прямоадресованої пам’яті. Формати оброблюваних даних та розрядність універсальних РЗП визначають необхідну розрядність шини даних (вона може бути, при необхідності, зменшена за рахунок передачі довгих кодових слів за два такти). Розрядність шини даних, в свою чергу, визначає розрядність пам’яті (розмір адресованого елемента даних). Обсяг та розрядність пам’яті даних визначає мінімально необхідну розрядність шини адреси основної пам’яті (або пам’яті даних).

Розрядність внутрішньої шини має бути вказана на структурній схемі процесорного пристрою.

По-друге, необхідно запропонувати формати даних та команд, що підтримуються процесором.

У загальному випадку необхідно забезпечити апаратну підтримку операцій над цілими числами зі знаком та без знака, а також чисел у форматі з рухомою комою; конкретний набір форматів, що підтримується, визначається варіантом завдання у вигляді можливої розрядності даних.

Цілі числа можуть бути знаковими або беззнаковими. Знакові цілі числа подаються у доповняльному коді, беззнакові – в натуральному коді. Цілі числа без знака також використовуються для подання адрес.

Для подання чисел з рухомою комою рекомендується слідувати вимогам стандарту ANSI/IEEE Standart 754.

Всі підтримувані формати необхідно подати таблицею (як зразок можна використовувати таблицю 4.1, в який перелічені основні формати чисел зі знаком). Також необхідно для кожного формату вказати діапазон подання чисел (окремою таблицею або додатковим стовпчиком в основній таблиці). Бажано додати опис подання виняткових ситуацій (нуль, переповнення, NAN – не число).

Таблиця 4.1

Формати команд визначаються заданою максимальною адресністю та способами адресації.

При відносній адресації для отримання виконавчої адреси операнда вміст адресного поля команди додається до вмісту програмного лічильника, тобто вміст адресного поля команди є зміщенням відносно адреси поточної команди. Так як вміст програмного лічильника змінюється автоматично, цей спосіб адресації можна розглядати як різновид базової адресації зі змінною базою.

При безпосередній адресації операнд знаходиться безпосередньо в адресній частині команди, розрядність якої дорівнює розрядності операнда.

При прямій (або абсолютній) адресації в адресному полі прямо вказується місце розміщення операнда, тобто виконавча адреса операнда. При цьому можливі два випадки: пряма адресація основної пам'яті та пряма адресація регістрів процесора. Для розпізнавання типу адресованої пам'яті до команди вводиться спеціальне поле типу пам'яті (ТП).

При непрямій адресації в адресному полі вказується місце розміщення адреси операнда (комірка пам'яті або регістр процесора), виконавча адреса обчислюється. Аналогічно прямій адресації, тип адресованої пам'яті визначається вмістом поля типу пам'яті ТП.

Якщо операції звернення до пам’яті відокремлені від операцій оброблювання та перетворення даних, що виконуються тільки за принципом «регістр – регістр», поле ТП в форматі операційної команди не потрібно.

При виборі форматів команд необхідно, виходячи з принципів побудови RISC – архітектури, використовувати мінімальну кількість форматів команд. Найкращим варіантом є використання одного (наприклад, 32-розрядного) формату (див. рис. 4.2). Прийнятним можна також вважати варіант, коли команди мають різну довжину, наприклад, 16 та 32 розряди (див. рис. 4.1). 

Формати команд

На рис. 4.1. показані можливі формати команд, що відповідають другому варіанту. Операційні команди (рис. 4.1.а) трьохадресні, 16-розрядні та містять чотири поля: 7-розрядне поле коду операції (ОР) і три 3-розрядних поля для визначення регістрів-джерел та регістра-приймача. Операція типу додавання виконується за схемою R1: = <R2> + <R3>. Команди звернення до пам’яті та до підпрограм, переходів, а також команди, що використовують безпосередні операнди, мають довжину 32 розряди (рис. 4.1.б). Тут, крім полів OP, R1, R2 є 19-розрядне поле зсуву (disp). Адреса пам’яті обчислюється додаванням вмісту R2 і disp: A = <R2> + disp.

На рис. 4.2 поданий приклад 32-розрядного формату команди. Він містить шість полів: 7-розрядне поле коду операції, 1-розрядне поле SCC, що дозволяє або забороняє встановлення прапорців. Поля DEST, SRS1 і SRS2 визначають, відповідно, регістр-приймач та регістри-джерела даних. Однорозрядне поле IMM визначає вміст 13-розрядного поля SRS2. Якщо IMM = 0, то вміст SRS2 інтерпретується як номер регістра, у протилежному випадку розглядається як 13-розрядна константа. В командах звернення до пам’яті вона використовується як зсув. При цьому адреса пам’яті визначається як A = <SRS1> + SRS2.

Зображення форматів команд утворює другу частину таблиці форматів команд та даних, що підтримуються процесором.

Найбільш узагальнений алгоритм функціонування процесора зображений на рис. 4.3.

На рис 4.3: Оп. RG-RG – операція типу «регістр-регістр», Оп. RD/WR – операція читання / запису, Оп. БП та Оп. УП – операції безумовних та умовних переходів відповідно.

Цей алгоритм необхідно конкретизувати та доповнити алгоритмами виконання команд різних типів із врахуванням вимог варіанта завдання.

Розробка опису функціонування процесора передбачає визначення способу конвеєризації виконання команд. Для найпростішого двоступінчастого конвеєра виділяють фази вибірки команди та виконання команди. Тут паралельно і асинхронно можуть функціонувати процесор пам’яті та виконавчий процесор. Процесор пам’яті забезпечує інформаційний обмін з пам’яттю команд та пам’яттю даних, а також з кеш-пам’яттю. Виконавчий процесор декодує та виконує команди. Такий тип конвеєризації може бути реалізований, наприклад, у вигляді блоку випереджальної вибірки та черги команд у вигляді стеку затримки.

Для триступінчастого конвеєра зазвичай виділяють фази: вибірки команди із пам’яті, декодування команди та вибірки операндів, виконання команди та запису результатів. В цьому випадку до складу процесора можуть входити, наприклад, адресний процесор, процесор шини, процесор команд та виконавчий процесор. Процесор шини управляє виконанням основних операцій на шині. Адресний процесор виконує операції адресної арифметики та формування фізичних адрес. Процесор команд декодує команди та завантажує операнди. Виконавчий процесор власне виконує операції.

Для конвеєрів із більшою глибиною конвеєризації розподіл команд на фази може здійснюватися різними способами.

Спосіб конвеєризації вибирається виконавцем на власний розсуд. Взагалі поглиблення конвеєризації підвищує пропускну здатність процесора (кількість команд, що виконуються за одиницю часу), але ускладнює його устаткування та збільшує ймовірність конфліктів.

При опису функціонування конвеєра команд необхідно побудувати часову діаграму його функціонування (приклад для п’ятиступінчастого показаний на рис.4.4), пояснити вміст окремих етапів, описати склад устаткування та його особливості, оцінити прискорення обчислень, що забезпечується конвеєром. 

Етапи конвеєра, умовно зображеного на рис. 4.4:

1. IF – вибірка команди (за адресою, заданою лічильником команд, із кеш-пам'яті команд IM зчитується команда).

2. ID – декодування команди та вибірка операндів з регістрів регістрового файла Reg.

3. ЕХ – виконання операції та обчислення ефективної адреси пам'яті.

4. МЕМ – запис результату в кеш-пам'ять даних DM.

5. WB – запис результату в регістр регістрового файла Reg.

Узагальнений алгоритм функціонування процесора бажано зобразити у вигляді блок-схеми.

Завершується цій розділ побудовою структурної схеми процесора на основі визначених складу та характеристик його устаткування. Приклад зображення структурної схеми процесорного пристрою поданий на рис. 4.5.

4.2. Програмна модель процесорного пристрою 

У загальному випадку процесор містить дві групи регістрів: користувальницькі та системні. Крім того, може бути деяка кількість регістрів управління.

Кількість та розрядність РЗП визначаються варіантом завдання, тому на етапі визначення структури регістрової пам’яті вибираються кількість та розрядність системних регістрів і, при необхідності, регістрів управління. Також необхідно визначити структуру і склад регістра прапорців.

Користувальницькі регістри можуть розподілятися на універсальні, що можуть бути й адресними, і регістрами даних, та функціонально-орієнтовані (адресні, цілочисельні, для чисел з рухомою комою).

Використання спільної фізичної пам’яті для цілочисельних даних та чисел в форматі з рухомою комою припускає необхідність розв’язання завдання розміщення останніх в декількох РЗП меншої розрядності. Тут необхідно визначитися, чи може число в форматі з рухомою комою розташовуватися, починаючі з будь-якого РЗП, чи тільки з тих, що мають, наприклад, парні адреси. Якщо вибраний другій варіант, необхідно визначити спосіб адресації чисел в форматі з рухомою комою – або їх адреси співпадають з адресами цілочисельних даних, або вводиться відокремлена наскрізна нумерація (наприклад, на основі механізму індексації). Як варіант, за умови наявності достатньої кількості регістрової пам’яті можлива реалізація двох окремих наборів РЗП для збереження даних в форматах з фіксованою та рухомою комою.

Один із можливих варіантів організації регістрової пам’яті (без системних регістрів) показаний на рис. 4.3.

Тут регістрова пам'ять складається із 32-розрядних РЗП (тридцяти двох), лічильника команд РС та покажчика стека SP. 

8-розрядний регістр Flags містить шість прапорців:

-  Z - ознака нульового результату;

-  С – ознака переносу із старшого розряду;

-  S - знак результату;

-  O - ознака переповнення результату;

-  I – дозвіл переривання;

-  T – покроковий режим (трасування). 

4.3. Система команд процесорного пристрою 

Система команд розроблюваного процесора має бути функціонально повною без надмірності та містити, як мінімум, наступні групи команд:

- звернення до пам’яті для читання та запису,

- цілочисельні арифметичні для чисел зі знаком та без знака (додавання, віднімання, множення, ділення, порівняння),

- арифметичні для чисел з рухомою комою (додавання, віднімання, множення, ділення, порівняння),

- логічні (порозрядні «І», «АБО», «Виключальне АБО»), інверсію,

- зсуви на довільну кількість тактів;

- умовні та безумовні переходи,

- виклику процедур (підпрограм) та повернення з них, програмних переривань,

- завантаження в регістри безпосередніх операндів,

- введення – виведення (у випадку ізольованого введення-виведення),

- управління обчислювальним процесом.

При реалізації команд роботи з процедурами (підпрограмами) можливо використання стека, розташованого в оперативній пам’яті (небажаний варіант для RISC – архітектури) або запам’ятовування адреси повернення в одному з РЗП. При обробленні програмних переривань необхідно запам’ятовувати, разом з адресою повернення, стан регістра прапорців.

Результати проектування необхідно оформити у вигляді таблиці. 

Таблиця 4.2

Система команд процесорного пристрою

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА 

1. Мельник А.О. Архітектура комп’ютера. Наукове видання: / Підручник. – Луцьк: Волинська обласна друкарня, 2008. – 470 с.

2. Схемотехніка електронних систем. У 3 кн. Кн. 3. Мікропроцесори та мікроконтролери: Підручник / В.І. Бойко, А.М. Гуржий, В.Я Жуйков та ін. – К.: Вища шк., 2004. – 399 с.

3. Гуржій А.М., Коряк С.Ф., Самсонов В.В., Скляров О.Я. Архітектура, принципи функціонування і керування ресурсами IBM PC: Навч. посібник. Харків: ТОВ «Компанія СМІТ», 2003 – 512 с.

4. Бройдо В.Л., Ильина О.П. Архитектура ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2006. – 718 с.

5. Танненбаум Э. Архитектура комп’ютера. 5-е изд. – СПб.: Питер, 2007. – 844 с.

6. Рисований О.М., Грушенко М.В. Цифрові пристрої та мікропроцесори. Архітектура та програмне забезпечення: Навчальний посібник. МО України. Х.:ХУПС, 2005. – 344 с.

7. Поворознюк А.И. Архитектура компьютеров. Архитектура микропроцессорного ядра и системных устройств: Учеб. пособие. Ч.1. – Харьков: Торнадо, 2004. – 355 с.

8. Костров Б.В., Ручкин В.Н. Архитектура микропроцессорных систем. – М.: Изд-во Диалог МИФИ, 2007. – 304 с.

9. Столингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем, 5-е издание. -- М.: Изд. дом Вильямс, 2002. – 896 с.

10. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы: Учебно-методический комплекс. – М.: Изд. центр ЕАОИ. 2009. – 292 с.

11. Ульянов М.В. Архитектуры процессоров. – М.: МГАПИ, 2002. – 68 с.

12. Жмакин А. П. Архитектура ЭВМ. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 320 с.

13. Буза М.К. Архитектура компьютеров: учеб. – Минск: Новое знание, 2006. – 559 с.

14. Навчально-методичний посібник до виконання рефератів, розрахунково-графічних, курсових і кваліфікаційних робіт / Т.С. Грицька, І.І. Слюсарь, О.І. Тиртишніков, Ю.В. Уткін – Полтава: ПолтНТУ, 2012. – 60 с.

Пояснення до таблиці варіантів завдання:

1. У стовпчику «архітектура пам’яті»: Н – архітектура із спільною пам’яттю даних та команд (нейманівська), Г – архітектура із розподіленою пам’яттю даних та команд (гарвардська).

2. У стовпчиках «способи адресації»: Б – безпосередня адресація; П – пряма адресація, Н – непряма адресація. Основним типом адресації є відносна, вона підтримується для всіх варіантів завдання, тому в таблиці відповідний стовпчик відсутній.

3. У стовпчику «введення-виведення»: І – ізольоване введення-виведення: П – по аналогії з пам’яттю.

Варіант № 51 

Скласти архітектурно-алгоритмічний опис однокристального процесорного пристрою, що має наступні характеристики:

1. Тип процесора – для убудованих застосувань.

2. Архітектура пам’яті – гарвардська.

3. Обсяг пам’яті: даних (Кбайт) – 512; команд (Кбайт) – 512.

4. Розрядність даних: (біт) – 8, 16, 32, 64.

5. Способи адресації даних: відносна, безпосередня, пряма, непряма.

6. Максимальна адресність команд: 3.

7. Кількість регістрів загального призначення: 96.

8. Розрядність регістрів загального призначення: 64.

9. Спосіб організації введення-виведення: ізольоване.

10. Глибина конвеєризації: 5. 

Перелік питань, що повинні бути розроблені:

1. Архітектурний опис однокристального процесорного пристрою.

2. Програмна модель процесорного пристрою.

3. Система команд процесорного пристрою. 

Перелік обов’язкового графічного матеріалу:

1. Структурна схема процесорного пристрою.

2. Таблиця форматів команд та даних, що підтримуються процесором.

3. Схема програмної моделі процесорного пристрою.

4. Таблиця «Система команд процесорного пристрою».

З повагою ІЦ "KURSOVIKS"!