Реферат: Анализ операций умножения и деления в конкретной модели АЛУ

Введение

Создание фирмой Intel первого микропроцессора в 1971 году положило началоэпохе компьютеризации. “Благодарямикропроцессорам компьютеры стали массовым, общедоступным продуктом ”,- заявилТед Хофф, один из изобретателей первого процессора. Его имя, вместе с именамиего коллег — Федерико Феджина и Стива Мейзора, внесено в список лауреатовНационального зала славы изобретателей США, а само изобретение признано однимиз величайших достижений ХХ века.

За чуть более чем четвертьвековую историю микропроцессорыпрошли поистине гигантский путь. Первый чип Intel 4004 работал начастоте 750 Кгц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200 долларов.Производительность его оценивалась в 60 тысяч операций в секунду. Насегодняшний день рекордные показатели принадлежат микропроцессорам Alpha 21264 фирмы DEC и составляют: 600 МГц, 15.2 миллионатранзисторов, 2 миллиарда операций в секунду и около 300 долларовсоответственно.

Сравнение приведенных значений подтверждает оценку успеховмикропроцессорной индустрии, данную основателем и председателем советадиректоров фирмы Intel Гордоном Муром: “Если бы автомобилестроениеэволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня“Роллс-Ройс” стоил бы 3 доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одномгаллоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку”[ “Intel на Comtek’98” CDROM — perspectives.html ].

Такое интенсивное развитие технологий в обществе, гдеосновным предметом труда становится информация, является следствием растущегоспроса на новые орудия труда — компьютеры. На сегодняшний день компьютеризацияявляется одним из главных направлений научно-технического прогресса иконцентрированным его выражением. Количество и качество производимых в странекомпьютеров, степень насыщенности вычислительной техникой самых разных отраслейстановится одним из основных критериев ее экономического и военного потенциала.

В формируемом ежегодно в США группой экспертов перечне“критических технологий”, охватывающем практически все направленияпроизводства, исследований и разработок, оказывающих влияние на военный иэкономический статус страны, микроэлектронные технологии традиционно занимаютпервое место.

В микропроцессорах — наиболее сложных микроэлектронныхустройствах — воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условияхсвойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромныхкапиталовложений, выпуск каждой новой модели микропроцессора — так или иначесвязан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом.

Типы микропроцессоров

Универсальные микропроцессоры предназначаются для примененияв вычислительных системах: персональных ЭВМ, рабочих станциях, а в последнеевремя и в массово-параллельных супер-ЭВМ. Основной их характеристикой являетсяналичие развитых устройств для эффективной реализации операций с плавающейточкой над 64 разрядными и более длинными операндами. Предназначаются восновном для проведения научно-технических расчетов.

Цифровые сигнальные процессоры рассчитаны на обработку вреальном времени цифровых потоков, образованных путем оцифровывания аналоговыхсигналов. Это обусловливает их сравнительно малую разрядность и преимущественноцелочисленную обработку. Однако современные сигнальные процессоры способныпроводить вычисления с плавающей точкой над 32-40 разрядными операндами. Крометого, появился класс медийных процессоров, представляющих собой законченныесистемы для обработки аудио- и видеоинформации.

Наибольшей специализацией и разнообразием функций обладаютмикроконтроллеры, используемые во встроенных системах управления, в том числе ив бытовых приборах. Общее число кристаллов с различными системами командпревышает 500, и все они, в силу существования изделий с их использованием,имеют свою устойчивую долю рынка.

В данной курсовой работе на примере цифрового сигнальногопроцессора семейства ADSP-21xxпроизводится разбор команд умножения и деления, выполняемых в АЛУ.

Обобщенная структурная схема персональногокомпьютера

Центральное устройство управления

Арифметико-логическое устройство

Регистровая память

Дополнительное устройство управления

Оперативная память

Постоянная память

Контроллер

НМД

Клавиатура

Монитор

Контроллер

Принтер

Модем

Центральный процессор

Рис. 1

Центральный процессор в персональных компьютерахпредставляет собой микропроцессор, то есть построен на одной микросхеме(БИС, СБИС). В его состав входят:

Модули оперативной и постоянной памяти, связаны смикропроцессором напрямую. Остальные устройства ( монитор, клавиатура,накопители на магнитных носителях и т.д.) связаны с микропроцессором черезконтроллеры ввода-вывода, которые, в свою очередь, связаны с микропроцессоромчерез системную шину.

Микропроцессор является ядром ЭВМ (рис.1). Он осуществляетобработку данных и функции управления системой. К функциям управления системойотносятся :

Организация центрального процессора определяетсяархитектурой и принципами работы ЭВМ ( состав и форматы команд, организацияпамяти ). Логическая структура включает ряд функциональных средств:

Структурно эти средства разбиваются на центральноеустройство управления, АЛУ, внутреннюю память и управляющие устройства,связанные с конкретными устройствами вычислительной машины.

Центральное устройство управления принимает и расшифровываеткоманды, формирует адреса команд и операндов, формирует последовательностиуправляющих сигналов и обеспечиваеткоординацию работы всех функциональных узлов, посредством выработкисинхронизирующих сигналов.

Внутренняя память входит в состав первого уровня и связана сАЛУ и другими блоками центрального процессора непосредственно и имеет скоростьработы соизмеримую со скоростью работы блоков процессора.

· в состав центрального процессора. Емкость ееневысока, скорость высокая, но меньше, чем у управляющей памяти. Основнойхарактеристикой данного типа памяти являетсяразрядность

Арифметико-логическоеустройствоОбщие сведения, функции и классификация

Арифметико-логическоеустройство функционально можно разделитьна две части :

а) микропрограммноеустройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд(команд);

б) операционное устройство(АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

Р1

Устройство управления

An .... A2 A1

С у мм а т о р

.......

Рг7

Рг6

l-1

k-1

Рг1

Рг5

Рг4

Рг3

Рг2

Nr… N2 N1

Рис. 2

Структурная схема АЛУ иего связь с другими блоками машины показаны на рисунке 2. В состав АЛУ входят регистры Рг1 – Рг7, в которыхобрабатывается информация, поступающая из оперативной или пассивной памяти N1,N2, ...NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Закон переработкиинформации задает микропрограмма М, которая записывается в виде последовательности микрокоманд A1,A2,..., Аn-1,An. При этомразличают два вида микрокоманд: внешние,то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразованияинформации (на рис. 2 микрокоманды A1,A2,..., Аn), и внутренние, которыегенерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяяестественный порядок следованиямикрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимости от результата вычислений j

,w,Q идр. (j– признак переполнения, w –признак отрицательного числа, Q – признак равенства 0 всех разрядов числа), На рис.2 эти микрокоманды обозначены р1, p2,..., рm.

Результаты вычислений изАЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, ..., уs, в ОЗУ.

Функции регистров,входящих в АЛУ:

· результат вычислений;

Вид обрабатываемой информации

Способ обработки информации

Логическая структура АЛУ

По форме представления чисел

По разрядности

По используемой системе счисления

По способу представления отрицательных чисел

С использованием дополнительного кода

С использованием обратного кода

С использованием непозиционных систем счисления

С использованием пози-ционных систем счисления

С переменной разрядностью

С постоянной разрядностью

С плавающей запятой

С фиксированной запятой

По способу обработки слова во времени

АЛУ с дополнительными регистрами

АЛУ с реализацией операций в запоминающем устройстве

АЛУ с магистральной структурой

АЛУ с жесткой структурой

АЛУ с однородной структурой

Параллельно-последовательные

Последовательные

Параллельные

Многосумматорные АЛУ

АЛУ с расширенными возможностями

По способу распределения логических функций между регистрами

Рис. 3

· от выполняемой операции);

· быть аккумуляторами, индексными регистрамиили использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционныхрегистров является программно-доступной, то есть они могут быть адресованы в команде для выполненияопераций с их содержимым. К ним относятся:

остальные регистрыпрограммно-недоступные, так как они не могут быть адресованы в программе.Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу обработки информации илогической структуре. Подробная классификация АЛУ показана на рис. 3.

Сложность логическойструктуры АЛУ в определенной степени можно охарактеризовать количеством отличающихся друг от другамикроопераций, необходимых для выполнения всего комплекса задач, поставленных перед АЛУ. На входекаждого регистра собраны соответствующиелогические схемы, обеспечивающие такие связи между регистрами, что позволяют реализовать заданный набормикроопераций.

Выполнение операций надсловами сводится к выполнению последовательности микрокоманд, которые управляют передачей словв АЛУ и действиями по преобразованию слов. Порядок выполнения микрокомандопределяется алгоритмом выполнения операций. Следовательно, связи между регистрами АЛУ и функции, которыедолжны выполнять регистры, зависят восновном от принятой методики выполнения операций: арифметических, логическихи специальной арифметики.

Перечень операций,выполняемых в АЛУ, зависит от назначения цифровой вычислительной машины и от функций, выполняемых АЛУ приобеспечении работы остальных устройствмашины. При представлении операций в виде последовательностей микроопераций АЛУ должно состоять изэлементов; реализующих эти микрооперации.

Таким образом, структураАЛУ определяется набором микроопераций, необходимых для выполнения заданных арифметических,логических и специальных операций, а задачу построения АЛУ можно свести кзадаче определения набора микроопераций, который позволяет составитьмикропрограмму любой из заданных операций. Такой набор легко получить. если записать микропрограммы всех операций,выполняемых в АЛУ, и выбрать из них все микрооперации, входящие вмикропрограммы хотя бы один раз. Однако,если при этом алгоритм операций выбирать произвольно, то количество микроопераций, входящих вполный набор, может оказаться слишком большим и, следовательно, АЛУ будет сложным.

Для получения болеепростой схемы АЛУ алгоритмы арифметических и логических операций следует выбирать из условияполучения минимального набора микроопераций. При этом необходимо учитыватьтребование обеспечения заданного быстродействия АЛУ: слишком ограниченный набормикроопераций может привести к “длинныммикропрограммам некоторых операций”, что увеличивает время выполнения данных операций.

Алгоритмысложения (вычитания) и умножения в АЛУ

Структурная схема микропрограммы сложения показана на рис.4. Выполнение этого алгоритма состоит в следующем:

Рг1=а

Анализ знака Рг1

Останов

Рг1=Рг2

Анализ переполнения разрядной сетки

Рг2=инв(Рг3)

Рг2=Рг1

Рг1=Рг2

Рг2=инв(Рг1)

Анализ знака результата

“+1” ЦП

Суммирование на Рг2

Рг3=Рг2

Рг2=инв(Рг1)

Анализ знака Рг1

Формирование признака переполнения j

Рг1=b

Рис.4

4.j

, если переполнениеотсутствует, то выполняется переход на конец микропрограммы сложения.

Для того, чтобы структурная схема, показанная на рис. 4могла выполнять операцию вычитания, достаточно перед выполнением операциипроинвертировать знак второго слагаемого.

Множитель

Сумма частичных произведений

Множимое

множителя

цифра

Рис.5

Теперь рассмотрим алгоритм умножения. Умножение двоичныхчисел с фиксированной запятой можно свести к последовательности сдвигов исложений… Наиболее удобен следующий алгоритм: умножение начинается с младшихразрядов множителя, который сдвигается вправо, сумма частичных произведенийтакже сдвигается вправо, множимое — неподвижно. На рис. 5 показана графическаяинтерпретация этого алгоритма.

Рг1=а

Рг2=Рг1

Рг4=Рг2

Рг1=b

CчТ=n

Анализ младшего разряда множителя

Суммирование на Рг2

Рг2=СдвПр(Рг2)

Рг4=СдвПр(Рг4)

СчТ=СчТ-1

Анализ содержимого СчТ

Останов

¹

Рис.6

5.n раз ( n — разрядность сомножителей )

Структурная схема микропрограммы умножения показана на рис.6. Ввиду громоздкости деление здесь не рассматривается.

Теперь, можно приступать к рассмотрению конкретного АЛУ, чтои будет сделано. В качестве примера возьмем АЛУ цифрового сигнальногопроцессора-специализированного процессора с RISC архитектурой, предназначенного для решения задач цифровойобработки сигналов. Трудно найти такую область техники, где не могли быприменяться сигнальные процессоры. Это цифровая фильтрация, кодирование идекодирование информации, обработка звука и распознавание речи, обработкаизображений, медицина, измерительная техника, управляющие системы и многоедругое.

Цифровые сигнальные процессоры

Чем же отличается цифровой процессор от обычногомикропроцессора? В первую очередь — архитектурой и системой команд. В основупостроения DSP (Digital SignalProcessor) положены следующие принципы :

Гарвардская архитектура подразумевает хранение программ иданных в двух раздельных запоминающих устройствах. Соответственно на кристаллеимеются раздельные шины адреса и данных ( в некоторых типах процессоров — несколько шин данных и адреса ). Это позволяет совмещать во времени выборку иисполнение команд

Конвейерный режим используется для сокращения командногоцикла. Обычно применяется двух- или трехкаскадный конвейер, что позволяет наразличных стадиях выполнения одновременно обрабатывать две или три инструкции.

Аппаратный умножитель применяется для сокращения временивыполнения одной из основных операций цифровой обработки сигнала — умножения. Впроцессорах общего назначения эта операция используется за несколько тактовсдвига и сложения ( см. рис.5 ) и занимает много времени, а в DSP благодаря специализированномуумножителю — один цикл.

Алгоритм выполнения сложения и деления варифметико-логическом устройстве, на примере цифрового сигнального процессорасемейства ADSP-21xx.

Все устройства в процессорах этого семейства 16-и битные сфиксированной точкой. Почти все операции подразумевают представление знаковыхчисел в форме дополнения до двух. Остальные же используют беззнаковые числа илипросто строки битов. Специальная поддержка имеется для многословных вычисленийи блочной плавающей арифметики.

Арифметика и типы данныхСтроки битов

Это простейшая форма записи; 16 бит составляют строку битов.Примерами операций, в которых используется этот формат, являются логическиеоперации NOT,AND,OR,XOR. Этиоперации, исполняемые АЛУ, считают, что их аргументы строки битов и незаботятся о знаке или о положении десятичной точки

Числа без знака

Беззнаковые двоичные числа могут принимать толькоположительные значения и потому имеют почти вдвое больший диапазон, чемзнаковые числа той же длины. Младшие слова чисел с увеличенной точностьюиспользуются как беззнаковые числа.

Числа со знаком в форме дополнения до двух

Для арифметики процессоров семейства термин “знаковый”всегда обозначает числа. Записанные в форме дополнения до двух. Многиеинструкции процессора подразумевают или поддерживают арифметику по модулю 2.

Дробь 1.15

Арифметические инструкции процессоров семействаоптимизированы для операций в дробном двоичном формате 1.15. В этом формателевый бит числа обозначает его знак, и 15 оставшихся бит представляют собойчисла от -1 до почти 1 ( из-за несимметричности представления знаковых чисел ).

Арифметические операции АЛУ

Все арифметико-логические операции трактуют свои операнды иполучают результаты как 16 разрядные битовые строки, за исключением примитивовзнакового деления (DIVS).Различные флаги трактуют результаты как числа со знаком: флаг переполнения (AV) и флаг отрицательногочисла (AN).

Логика флага переполнения основана на арифметике по модулю2. Он устанавливается если знаковый бит изменялся непредсказуемым образом.Например при сложении двух положительных чисел, результат также должен бытьположителен. Если же происходит переполнение ( перенос в знаковый бит,устанавливающий его в единицу, так что результат получается отрицательным ), тоустанавливается бит AV.

Логика флага переноса основана на беззнаковой арифметике.Этот флаг устанавливается в том случае, если генерируется перенос из старшегоразряда числа, который не может быть записан в результат. Этот флаг оченьполезен при операциях с многословными представлениями чисел для младших слов.

Арифметика МАС

Результаты умножения представляют собой битовые строки.Операнды же обрабатываются так, как это указано в самой инструкции ( умножениезнаковых, умножение

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Расчет усилителя низкой частоты

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

16-разрядный генератор псевдослучайных чисел

29 Августа 2013