ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Московский технический университет связи и информатики
Волго-Вятский филиал
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине
«Вычислительная техника и информационные
технологии»
Нижний Новгород
2015г.
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
предписываемых функцией
в
двоичных
кодах
F=fк (a, b, c, d)
алгоритма
вычислений,
из таблицы 10 методических
указаний, где индекс k задает номер варианта и определяется предпоследней i=2
и последней j=0 цифрами моего варианта:
1) N=10i+j=20;
2)
K=N=20;
F  a bcd ;
3) a=N+15=35; b=N+13=33;
c=N+5=25;
d=N=20.
При этом программу следует разместить в память команд (ПК), начиная с
ячейки № i=2, а операнды a, b, c и d – в память данных (ПД), начиная с ячейки
№ j=0;
-синтез конечного автомата (КА), реализующего функции устройства
управления (УУ) на рис.1;
-выполнение вручную всех расчетов согласно
f k ()
в двоичной системе
счисления с выдачей всех промежуточных и окончательного результатов.
Рисунок 1 – Структурная схема вычислителя
2
3
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.
3
III. Практическая часть
1. Присвою данным операндам определенные РОН
«а» помещаю в ячейку РОНj=РОН0;
«b»→ РОНj+1=РОН1;
«с»→ РОНj+2=РОН2;
«d»→ РОНj+3=РОН3
Введу вспомогательные переменные:
e= a
g =b  c
h= b c  gc
l= b  c  d  h  d
k= b  c  d  h  d  e
m= a  k
Для дополнительно введенных переменных и их временного хранения
выделю дополнительные РОН:
e – РОН4, g – РОН5, h –РОН6, l – РОН7, k – РОН8, m– РОН9
АЛУ выполняет следующие операции:
F  x , код операции – 010;
F  x  y , код операции – 011;
F  x  y , код операции – 100;
F  x  y , 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 РОН4.
К3 – вычисление g и размещение результата в RgQ
K4 – перезапись g из RgQ в РОН5.
K5 – вычисление h и размещение результата в RgQ
K6 – перезапись h из RgQ в РОН6.
K7 – вычисление l и размещение результата в RgQ
K8 – перезапись l из RgQ в РОН7.
K9 – вычисление k и размещение результата в RgQ
K10 – перезапись k из RgQ в РОН8.
K11 – вычисление m и размещение результата в RgQ
K12 – перезапись m из RgQ в РОН9.
4
3. Программирование сводится к записи кодов всех перечисленных команд
в той же последовательности.
Заполняю таблицу команд программы (хранящейся в памяти команд).
Команда
Таблица 2
К1
К2
К3
К4
К5
К6
К7
К8
К9
К10
К11
К12
Тип
перехода
от одной
команды
к другой
Адрес в ПК
КОП ALU
Адрес (в
ПД)
(РОН)
Адрес (в
ПД)
(РОН)
Ay
Ax
V V V V V P P P K K K
5
4
3
2
1
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0 0
1 0
1 1
1 1
0 0
0 0
0 1
0 1
1 0
1 0
1 1
1 1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
2
1
0
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
Стоп
0
х
0
х
0
x
0
х
0
х
1
х
1
x
1
x
1
х
1
x
1
х
0
х
0
x
1
x
1
x
1
x
1
х
1
х
х
x
х
0
х
0
х
0
х
0
х
0
х
x
х
1
х
0
х
1
х
0
х
1
х
х
х
0
х
1
х
0
х
1
х
1
х
x
х
1
х
1
х
1
х
0
х
1
х
х
х
0
х
0
х
1
х
0
х
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Доп.
уровни
в УУ
V
V
6
7
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
4. 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.
Рисунок 2 – Структурная схема УУ.
q1
схема
запуска
и
ТИ
сброса
КУ1
ТИ
qn
Автоматическое
устройство
переключения от такта к
такту
Q1
V1
КУ2
Qn
Vm
счетчик
ОС
W
5
б) Считаем, что переключающее устройство строится на триггерах с выходами
Q. Определю необходимое количество триггеров для выполнения всех команд:
m  log 2 ( M  1) ,
где М – количество рабочих состояний (тактов).
Также учитывается 1 состояние покоя.
m  log 2 (9  1)  log 2 (10)  4 ,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
(состо
яние)
Текущее состояние КА
Q4 Q3 Q2
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
0
Остальные
Q1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Выходные сигналы
V5
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Х
V4
X
0
0
0
0
0
0
0
1
1
Х
V3
X
0
0
0
1
1
1
1
0
0
Х
V2
X
0
1
1
0
0
1
1
0
0
Х
V1
X
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Х
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1015
г) Алгоритм работы КА можно представить и в виде графа:
V6
X
0
1
0
1
0
1
0
1
0
Х
V7
X
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Х
W
Х
0
0
0
0
0
0
0
0
1
Х
Рисунок 3
6
Здесь а1…а9 – рабочие состояния КА, а0 – состояние покоя.
q 2  Q4 Q3 Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3 Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3 Q2 Q1
q3  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1
q 4  Q4 Q3Q2 Q1
Для минимизации выражений также использую безразличные состояния Х.
q2  Q1
q3  Q2 Q1
7
q 4  Q3Q2 Q1
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 4 – Схема синтезированного устройства КУ1 – счетчика с
параллельным переносом
ж) Аналогично составляю функции для V1-W в СДНФ и синтезирую КУ2,
используя таблицу 3.
V1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1
8
V2  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3 Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3 Q2 Q1
V3  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3 Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1
V4  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1
V5  0
V6  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3 Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1
V7  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3 Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1  Q4 Q3Q2 Q1
W  Q4 Q3Q2 Q1
Минимизирую выражения с помощью карт Карно-Вейча:
9
V4
Q4
x
x
x
x
1
x
1
x
Q3
Q1
Q2
Получаю МДНФ:
V1  Q1
V2  Q2
V3  Q3
V4  Q4
V5  0
V6  Q1
V7  Q1
W  Q4 Q1
10
Рисунок 5 - Схема КУ2
з) Строю схему запуска и сброса.
Рисунок 6 - 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.
11
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).
Рисунок 7 – Общая схема УУ
Схема запуска
КУ2
КУ1+память=счетчик
и) Проведу контрольные расчеты в двоичной системе счисления по заданной
функции вычислителя.
а = 35(10) = 100011(2)
b = 33(10) = 100001(2)
с = 25(10) = 11001(2)
d=20(10) = 10100(2)
F  a bcd
Вычисление e = a
e  a  100011  011100
Вычисление g = b  c
g  100001  011001  111000
Вычисление h = b  c  g  c
h  111000  011001  111001
12
Вычисление l= h  d
l  111001  010111  111011
Вычисление k= h  d
k  111001 10100  111001
Вычисление m  a  k
m  011100  111001  111101=61(10)
Литература:
1. Цифровая и вычислительная техника/Под ред. Э.В. Евреинова. – М.:
Радио и связь, 1991. – 464 с.
2. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. – М.:
Энернгоатомиздат, 1991. – 592 с.
3. Скворцов Г.И. Вычислительная техника и информационные технологии
–МТУСИ М. 2004 – 40 с.
13