Лабораторная работа №9. «Учебная модель ЭВМ»

Цель работы: на примере простейшей ЭВМ ознакомиться с её структурой, функционированием основных узлов, работой АЛУ при выполнении основных логических и арифметических операций. На рисунке1 представлен внешний вид учебной ЭВМ.

Рисунок.1 Внешний вид учебной ЭВМ.

 

Описываемая учебная модель ЭВМ предназначена для ознакомления учащихся школ и других учебных заведений со структурой ЭВМ, двоичной и 16-ричной системами счисления, основными логическими и арифметическими операциями. Выполненная на интегральных микросхемах средней степени интеграции, она обеспечивает наглядность и доступность в изучении материала. Функциональная схема устройства изображена на рис. 2

.

 

Рисунок 2. Функциональная схема учебной модели ЭВМ.

 

. Учебная модель содержит в упрощенном виде основные блоки ЭВМ: устройство ввода-вывода информации, устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), генератор тактовых импульсов (ГТИ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), ОЗУ состоит из трех четырехразрядных регистров:

RGA – регистра операнда А;

RGB – регистра операнда В;

RGK – регистра команд.

Кроме того, устройство содержит ещё регистр – аккумулятор (RGA_k), накапливающий результат выполнения операций арифметически-логическим устройством. Для сокращения числа органов управления информация в ЭВМ вводится в последовательном коде. Принципиальная схема модели ЭВМ изображена на рис.3.

 

Рисунок 3. Принципиальная схема учебной модели ЭВМ.

 

 

При нажатии на кнопку SB5 («Ввод») разрешается работа генератора тактовых импульсов, собранного по схеме симметричного мультивибратора на элементах DD5.1, DD5.2. тактовые импульсы поступают на счетный вход четырехразрядного двоичного счетчика DD4, на выходе которого формируется двоичный код числа введённых импульсов. Заносимую в устройство информацию индицирует в двоичном коде светодиодный индикатор HL2- HL5, а также цифровой дисплей HG1 в 16-ричном коде.

Преобразователь двоичного кода в 16-ричный реализован на ПЗУ DD6. По четырехразрядной шине информация с выхода счетчика DD4 поступает на информационные входы всех регистров ОЗУ.

С помощью кнопок SB1 – SB3 осуществляют запись информации с выхода счетчика DD4 в любой из регистров ОЗУ. Таким образом, за три последовательных цикла нажатий на кнопки SB5 и SB2, SB5 и SB3, SB5 и SB1 можно записать соответственно коды двух операндов в регистр RGA (DD2) и регистр RGB (DD3), а также код команды в регистр RGK (DD1). Четырехразрядный код команды преобразуется в пятиразрядный код, управляющий АЛУ. Преобразователь выполнен на ПЗУ DD7. В зависимости от кода команды на входах S1 – S4 и управляющих сигналов М и С_n (логические или логико – арифметические операции, наличие или отсутствие переноса) АЛУ (DD8) выполняет различные операции, представленные в таблице 1.3.

 

В качестве примера рассмотрим выполнение операции (А^В) для операндов А = 4 и В = 13. Первоначально последовательными нажатиями на кнопку SB5 в дисплей HG1. Затем нажатием на кнопку SB2 заносят операнд а в регистр RGA. Последовательными нажатиями на кнопку SB5 набирают на цифровом дисплее число D (16-ричный эквивалент числа 13) и нажатием на кнопку SB3 заносят его в регистр RGB. В соответствии с таблицей код операции (А^В) равен 9. Нажатиями на кнопку SB5 вводят число 9 в регистр – аккумулятор RGA_k, а затем, нажав на кнопку SB1, заносят его в регистр команд RGK.

Результат выполнения логической операции в двоичном коде подают на информационные входы регистра – аккумулятора. Нажатием на кнопку SB4 заносят информацию с выхода АЛУ в RGA_k. Светодиоды HL2 – HL5 при этом индицируют двоичный код на выходе АЛУ, а цифровой дисплей – его 16-ричный эквивалент. Нетрудно показать, что индицируемый результат выполнения указанной логической операции при набранных операндах равен (1011)₂.

В основе работы рассматриваемой учебной модели ЭВМ используется микросхема АЛУ.

Арифметико-логические устройства АЛУ (ALU, Arithmetic-Logic Unit) выполняют над словами ряд действий. Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую.

Обычно АЛУ четырёхразрядные и для наращивания разрядности объединяются с формированием последовательных или параллельных переносов. Логические возможности АЛУ разных технологий (ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ) сходны. В силу само двойственности выполняемых операций условное обозначение и таблица истинности АЛУ встречаются в двух вариантах, отличающихся взаимно инверсными значениями переменных.

АЛУ (рис 4) имеет вводы операндов А и В, входы выбора операций S, вход переноса C_i и вход М (Mode), сигнал которого задает тип выполняемых операций: логические (М=1) или арифметико-логические (М=0). Результат операций вырабатывается на выходах F, выходы G и H дают функции генерации и прозрачности, используемые для организации параллельных переносов при наращивании размерности АЛУ. Сигнал Co – выходной перенос, а выход А = В есть выход сравнения на равенство с открытым коллектором.

 

Рисунок 4. Условное обозначение АЛУ

 

Перечень выполняемых АЛУ операций дан в таблице 1.4. Для краткости двоичные числа s₃s₂s₁s₀ представлены их десятичными эквивалентами. Под утолщёнными обозначениями 1 и 0 следует понимать наборы 1111 и 0000, входной перенос поступает в младший разряд слова, т.е. равен 000С_i. Логические операции поразрядные, т.е. операция над словами А * В означает, что a_i * b_i при отсутствии взаимовлияния разрядов. При арифметических операциях учитываются межразрядные переносы.

 

Таблица 1

 

Шестнадцать логических операций позволяют воспроизводить все функции двух переменных. В логико-арифметических операциях встречаются и логические и арифметические операции одновременно.

Запись типа АVВ+АВ следует понимать так: вначале поразрядно выполняются операции инвертирования В, логического сложения (АVВ) и умножения АВ, а затем полученные указанным образом два четырехразрядных числа складываются арифметически.

При операциях над словами большой размерности АЛУ соединяются друг с другом с организацией последовательных или параллельных переносов. В последнем случае совместно с АЛУ применяют микросхемы – блоки ускоренного переноса (CRU, Carry Unit), получающие от отдельных АЛУ функции генерации и прозрачности, а также входной перенос и вырабатывающие сигналы переноса по формулам, приведенным в предыдущем параграфе.

а

 

б

в

 

 

Рисунок5. Схемы наращивания АЛУ при последовательном (а) и параллельном (б) переносах и реализация функций компаратора для группы АЛУ (в).

 

Блок CRU вырабатывает также функции генерации и прозрачности для всей группы обслуживаемых им АЛУ, что при необходимости позволяет организовать параллельный перенос на следующем уровне (между несколькими группами из четырех АЛУ).

На рис 5 показаны способы выработки сигналов сравнения слов для группы АЛУ. Выход сравнения на равенство выполняется по схеме монтажной логики для выходов типа ОК. Комбинируя сигнал равенства слов с сигналом переноса на выходе группы при работе АЛУ в режиме вычитания, легко получить функции F_{A≥ B} и F_{A≤ B}. Если A< B, то при вычитании возникает заем из старшего разряда и F_{A≤ B} = 1. если заем отсутствует (A> B), то получим F_{A≥ B} =1.

Двоичный код с выходов микросхемы DD8 подается на информационные входы D1 – D4 счетчика DD4, используемого также в качестве регистра-аккумулятора. Запись информации в RGA_k осуществляется нажатием на кнопку SB4, в результате чего на вход предустановки S счетчика DD4 подается низкий уровень. После нажатия на кнопку SB4 результат выполнения операции высвечивают индикаторы HL1 – HL5 и цифровой дисплей HG1. Информацию с выхода переноса АЛУ (вывод 16) при выполнении арифметических операций индицируют светодиод HL1 и запятая индикатора HG1. Информация, записанная в ПЗУ, и соответствующие ей арифметические и логические операции указаны в таблице 2.

 

 

Таблица 2

 

Код входной 16-ричный	Код выходной	Операция	Тип операции
M	S4	S3	S2	S1	16-ричный
								Присвоение или логические операции над одним операндом
						1C
						1F	A
							A
						1A	B
							B
					1E	AVB	Логические операции над двумя операндами
							AVB
						1B	A˄ B
							A˄ B
A							Aᶿ B
B							Aᶿ B
C							A+B	Арифметические операции
D							A-B-1
E						0C	A+A

 

Общий алгоритм работы системы

Рассмотрим работу учебной модели на базе принципиальной схемы:

Главным элементом в данной схеме является АЛУ (DD8). Однако любая работа начинается с ввода операндов (чисел) и команд.

1. Нажимаем кнопку SB5 (на изделии это кнопка «vvod»). Количество нажатий зависит от того, какое число необходимо ввести. Импульсы (нажатия) поступают в тактовый генератор (DD5.1, DD5.2 ). Затем число преобразуется в 16-ную систему счисления(DD6) и на индикаторах высвечивается набранное число.

2. Нажимаем SB2 (на изделии это кнопка «RGA») и набранное число записывается в регистр операнда А (DD2)

3.Затем повторяем действия пункта 1. Нажимаем SB3 (на изделии конопка «RGB») и записываем таким образом число В регистр операнда В. (DD3)

Повторяем действия пункта 1.

4. Нажимаем кнопку SB1 (на изделии это кнопка «RGK») и таким образом записываем набранное число в регистр команд (DD1).

5. С регистра команд (DD1) переходим на дешифратор DD7, преобразовывая число (значение команды из таблицы, их 16) в двоичный код

6. Со всех регистров DD1, DD2, DD3 все значения поступают в АЛУ, т.е. DD8.

Здесь: S1…S4 – номер команды, представленный в двоичном коде

M – либо «0» либо «1», 0 – арифметическая команда, 1 - логическая

A1…A4 – число А в двоичном коде

B1…B4 – число В в двоичном коде

F1…F4 – результат операции над числами А и В.

P - перенос

С выходов DD8 (АЛУ) в двоичном коде результат поступает снова на DD4 (на изделии это кнопка «RGK»), где записывается и хранится, т.к. DD4 – является также регистром – аккумулятором. Далее преобразуется и высвечивается на семисегментном индикаторе HG1 и на светодиодах HL1 – HL5.

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: