Реферат: Линейное программирование симплекс-методом Данцига

Содержание

1. Постановка задачи

2. Форматы команд и их кодировка

3. Структурная схема процессора

4. Регистры

5. АЛУ

6. Формат микрокоманд

7. Микрокод

8. Кодировка микрокода

9. Примеры выполнения команд

10. Основные сигналы и регистрыпроцессора

11. Примеры программ

12. Определение производительности


Постановка задачи

Синтезировать структуру простогомагистрального процессора с одним АЛУ, выполняющего 8 заданных команд.Разработать формат команд, кодировку команд. Разработать структурную схемупроцессора, функциональные схемы всех блоков процессора, функциональную схемупроцессора в  целом с указанием всех шин и управляющих сигналов.

Разработать форматмикрокоманд, организацию управления всеми устройствами процессора, микрокод длякаждой из заданных команд. Привести примеры выполнения  каждой команды суказанием значения всех основных сигналов и содержимого основных регистров накаждом такте. Привести 2 примера небольших программ с указанием значенияосновных сигналов и содержимого основных регистров на каждом такте.

Определить максимальнуютактовую частоту процессора. Определить производительность процессора воперациях в секунду (IPS), а также выраженную в числе выполняемых  тестовыхпрограмм в секунду. Указать способы повышения производительности процессора.

Характеристика процессора

Простой процессормагистрального типа с одноблочным универсальным АЛУ.

Разрядность регистров РОНи АЛУ процессора — 8 бит.

Число РОН — 4.

Адресуемая память — 256слов.

Устройство управления — микропрограммное с ПЗУ микропрограмм.

Способ выполнения команд– последовательное выполнение или JMP или JC.

Адресация памяти — прямая.

Арифметика вдополнительном коде.

Вариант:  54 = «2 2 23»

Без использованиянепосредственной адресации.

3х-адресные команды.

Операции АЛУ: NOP, ADD +  SHRA, NAND.

Состав команд:   LD, ST, ADD, SHR  +  JC, DEC, SUB, NAND.

   


Форматы команд и ихкодировка

Коды команд

КОП Команда Действие 000 ADD  Rx,Ry,Rz Rx=Ry+Rz сложение 001 NAND Rx,Ry,Rz Rx=!(Ry&Rz) И-НЕ 010 SHR  Rx,Ry Rx=Ry/2 арифметический сдвиг вправо 011 JC   address jmp on carry условный переход по переносу 100 DEC  Rx,Ry Rx=Ry-1 декремент (уменьшение на 1) 101 SUB  Rx,Ry,Rz Rx=Ry-Rz вычитание 110 LD   Rx,address Rx=Mem(address) загрузка из ОЗУ в регистр 111 ST   Ry,address Mem(address)=Rx запись из регистра в ОЗУ

Формат команд

ADD Rx,Ry,Rz

 

 

КОП Rx Ry Rz не используется

 

x x y y z z /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> NAND Rx,Ry,Rz

 

КОП Rx Ry Rz не используется 1 x x y y z z /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> SHR  Rx,Ry

 

КОП Rx Ry не используется 1 x x y y /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> JC   address

 

КОП не использ. address 1 1 a a a a a a a a /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
DEC  Rx,Ry КОП Rx Ry не используется 1 x x y y /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

Сокращения:

КОП – код команды

Rx – регистр приемник

Ry – регистр источник 1

Rz – регистр источник 2

address – 8-битный адрес

  SUB  Rx,Ry,Rz КОП Rx Ry Rz не используется 1 1 x x y y z z /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> LD Rx,address КОП Rx не исп. address 1 1 x x a a a a a a a a /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> ST Rx,address КОП не исп Ry address 1 1 1 y y a a a a a a a a /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> Структурная схема процессора/> 
/>/>/>
РегистрыНомер При записи (по шине С) При чтении (по шине A и B) 000 Rg0 программно-доступные регистры Rg0 программно-доступные регистры 001 1 Rg1 Rg1 010 2 Rg2 Rg2 011 3 Rg3 Rg3 100 4 Temp0 Temp0 101 5 PC PC 110 6 IR_HI (старшая часть IR) IR константа 1 111 7 IR_LO (младшая часть IR) IR_LO /> /> /> /> /> /> />

При чтении старшей частирегистра команд, на шину A или B поступает единичная константа(00000001). Это вполне допустимо, т.к. старшая часть регистра команд имеет своивыходы из блока регистров: (КОП, Rx, Ry, Rz). Младшая часть регистра команд поступает на шины A или B в неизменном виде, т.к. в некоторых командах процессора вмладшей части регистра команд находиться 8-битный адрес. Единичная константаприменяется при инкрементировании счетчика команд, а также для полученияконстанты -1 = 11111111 (см. микрокод для команды DEC).

Разрядность РОН (регистрыобщего назначения) – 8 бит

Разрядность PC (program counter) – 8 бит

Разрядность IR (регистр команд) – 16 бит (доступнодва регистра по 8 бит)


 АЛУ

/>

Структурная схема АЛУ иего связь с другими блоками машины показаны на рисунке. В состав АЛУ входятрегистры Рг1 — Рг7, в которых обрабатывается информация, поступающая изоперативной или пассивной памяти N1, N2, ...NS; логические схемы, реализующиеобработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Закон переработкиинформации задает микропрограмма, которая записывается в видепоследовательности микрокоманд A1,A2, ..., Аn-1,An. При этом различают два видамикрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ отвнешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (нарис. 1 микрокоманды A1,A2,..., Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ ивоздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядокследования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимостиот результата вычислений: признак переполнения, признак отрицательного числа,признак равенства 0 всех разрядов числа др. На рис. 1 эти микрокомандыобозначены р1, p2,..., рm.

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

Функции регистров,входящих в АЛУ:

Рг1 — сумматор (илисумматоры) — основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;

Рг2, РгЗ — регистрыслагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемойоперации);

Рг4 — адресный регистр(или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования)адреса операндов и результата;

Ргб — k индексныхрегистров, содержимое которых используется для формирования адресов;

Рг7 — i вспомогательныхрегистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами,индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточныхрезультатов.

 

Формат микрокоманд

 

MIR – Microinstruction register – регистр микрокоманд (24 bit) A A MUX B B MUX C C MUX RD WR ALU COND JMP ADDRESS /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

A, B, C – номер регистрадля осуществления чтения (A, B) или записи (C)

A MUX, B MUX, C MUX – откуда брать номер регистра

(0 – из команды IR, 1 – из микрокоманды MIR)

RD – чтение из ОЗУ

         При этом адреспамяти берется с шины А, а результат подается на шину С

WR – запись в ОЗУ

         При этом адреспамяти берется с шины А, а данные — с шины B

ALU – код операции АЛУ

КОП АЛУ Операция АЛУ 00 NOP 01 ADD 10 SHRA 11 NAND

COND – условие для определения адресаследующей выполняемой микрокоманды

COND Куда переходим 00 NEXT на следующую микрокоманду 01 DECODE декодирование команды, Address = [KOP]100 10 JMP безусловный переход 11 JC условный переход по переносу (Carry Flag)

JMP ADDRESS – адрес в памяти микропрограмм, куда осуществляетсяпереход


Микрокод

Адрес Микрокоманда Пояснение

1

2

3

IR_HI = NOP(PC);         READ

PC = ADD(PC, IR_HI)

IR_LO = NOP(PC);        READ

DECODE

чтение старшего слова команды

переход к следующему слову (PC = PC + 1)

чтение младшего слова команды

декодирование считанной команды

ADD Rx, Ry, Rz 4 Rx = ADD(Ry, Rz);      JMP 62 сложение содержимого регистров NAND Rx, Ry, Rz 12 Rx = NAND(Ry,Rz);    JMP 62 И-НЕ для содержимого регистров SHR Rx, Ry 20 Rx = SHR(Ry);             JMP 62 арифметич. сдвиг содержимого регистра JC address

28

29

30

Temp0 = NOP(Temp0);    JC 30

JMP 62

PC = NOP(IR_LO);          JMP 0

организация условного перехода

если условие не выполнилось, то завершить

иначе записать в PC новый адрес из IR_LO

DEC Rx, Ry

36

37

38

Temp0 = SHR(IR_HI)

Temp0 = NAND(Temp0, Temp0)

Rx = ADD(Ry,Temp0);     JMP 62

Temp0 = 0   (00000001 à 00000000)

Temp0 = -1  (11111111)

Rx = Ry + Temp0 = Ry + (-1)

SUB Rx, Ry, Rz

44

45

46

47

48

Temp0 = SHR(IR_HI)

Temp0 = ADD(Temp0, Rz)

Temp0 = NAND(Temp0, Temp0)

Temp0 = ADD(Temp0, IR_HI)

Rx = ADD(Ry, Temp0);     JMP 62

Temp0 = 0   (00000001 à 00000000)

Temp0 = 0 + Rz = Rz

инвертировать Temp0 = Rz

Temp0 = (! Rz) + 1

Rx = Ry + (-Rz)

LD Rx, address 52 Rx = NOP(IR_LO);  READ;  JMP 62 чтение из ОЗУ (шина A – адрес) ST Ry, address

60

61

Temp0 = NOP(Ry)

Temp0 = NOP(IR_LO, Temp0); WRITE;  JMP 62

Temp0 = Ry (данные на шину B)

запись в ОЗУ

(шина A – адрес, шина B — данные)

End: 62 PC = ADD(PC, IR_HI);    JMP 0 увеличение счетчика команд (PC=PC+1)

Кодировка микрокода

DEPTH = 64;                     % количество слов %

WIDTH = 24;                     % размер слова в битах %

ADDRESS_RADIX = DEC;            % система счисления для адреса %

DATA_RADIX = BIN;               % система счисления для данных %

CONTENT

BEGIN

[0..63] :   0;                  % поумолчанию везде нули  %

% Инициализация %

0:  101100011101100000000000;       % IR_HI = NOP(PC);         READ %

1:  101111011011000100000000;       % PC = ADD(PC, IR_HI)           %

2:  101100011111100000000000;       % IR_LO = NOP(PC);         READ %

3: 000100011001000001000000;           % DECODE                        %

    % ADD Rx, Ry, Rz %

4:  000000000000000110111110;      % Rx = ADD(Ry, Rz);      JMP 62 %

 

    % NAND Rx, Ry, Rz %

12: 000000000000001110111110;     % Rx = NAND(Ry,Rz);      JMP 62 %

 

    % SHR Rx, Ry %

20: 000000000000001010111110;     % Rx = SHR(Ry);          JMP 62 %

    % JC address %

28: 100110011001000011011110;     % Temp0 = NOP(Temp0);     JC 30 %

29: 100110011001000010111110;      % JMP 62                        %

30:111110011011000010000000;         % PC = NOP(IR_LO);        JMP 0 %

% DEC Rx, Ry %

36: 110100011001001000000000;   % Temp0 = SHR(IR_HI)            %

37: 100110011001001100000000;   % Temp0 = NAND(Temp0, Temp0)  %

38: 000010010000000110111110;   % Rx = ADD(Ry,Temp0);    JMP 62 %

% SUB Rx, Ry, Rz %

44:110100011001001000000000;    % Temp0 = SHR(IR_HI)              %

45:100100001001000100000000;    % Temp0 = ADD(Temp0, Rz)          %

46:100110011001001100000000;  % Temp0 = NAND(Temp0, Temp0)    %

47:100111011001000100000000;    % Temp0 = ADD(Temp0, IR_HI)   %

48:000010010000000110111110;  % Rx = ADD(Ry, Temp0);    JMP 62  %

% LD Rx, address %

52:111100010000100010111110; % Rx = NOP(IR_LO);  READ; JMP 62%

    % ST Ry, address %

60:000000011001000000000000;  % Temp0 = NOP(Ry)                          %

61:111110011001010010111110; % Temp0 = NOP(IR_LO, Temp0);

WRITE; JMP 62 %

62: 101111011011000110000000;  % PC = ADD(PC, IR_HI);    JMP 0   %

END;


Примеры выполнениякоманд

 

Примеры выполнения  каждой команды суказанием значения всех основных сигналов и содержимым основных регистров накаждом такте выполнения приведены на электронном носителе.

Основные сигналы и регистры

Сокращение Примечание CLOCK синхронизирующий сигнал C_SEL[2..0] номер регистра выбранного в качестве приемника A_SEL[2..0] номер регистра выбранного в качестве источника 1 B_SEL[2..0] номер регистра выбранного в качестве источника 2 Rx[2..0] номер регистра приемника из IR (регистра команд) Ry[2..0] номер регистра источника 1 из IR (регистра команд) Rz[2..0] номер регистра источника 2 из IR (регистра команд) MIR_A[2..0] номер регистра приемника из MIR (р-ра микрокоманд) MIR_B[2..0] номер регистра источника 1 из MIR (р-ра микрокоманд) MIR_C[2..0] номер регистра источника 2 из MIR (р-ра микрокоманд) AMUX

Откуда брать номер регистра (0 – из IR, 1 – из MIR)

Эти сигналы управляют соответствующими мультиплексорами.

BMUX CMUX A_bus[7..0] Данные на шинах источниках, выходящих из блока регистров B_bus[7..0] C_ALU[7..0] Результат выходящий из АЛУ C_RAM[7..0] Данные, считанные из ОЗУ C_bus[7..0] Выбранные данные для записи (С_ALU или C_RAM) RD сигнал чтения из ОЗУ WR сигнал записи в ОЗУ KOP_ALU[1..0] код операции АЛУ (поступает из MIR) COND[1..0] определение следующей микрокоманды (из MIR) CBL_SEL[1..0] результат работы Control Branch Logic (логика управления ветвлением) – определяет следующую микрокоманду CF флаг переноса, поступающий из АЛУ в Control Branch Logic JMP_ADR[5..0] адрес следующей микрокоманды (из MIR) MIR[23..0] полное значение регистра микрокоманд (24 бит) PC программный счетчик (адрес в ОЗУ)
Примеры программ

ПРИМЕР 1

DEPTH =256;                    % Memory depth and width are required %

WIDTH =8;                      % Enter a decimal number %

ADDRESS_RADIX= DEC;            % Address and value radixes are optional %

DATA_RADIX =BIN;               % Enter BIN, DEC, HEX, or OCT; unless %

CONTENT

BEGIN

                               %-------------------%

0:11001000;                    % LD Rg1, [6]   %

1:00000110;                   

2:11010000;                    % LD Rg2, [7]   %

3:00000111;                   

4:00011011;                    % ADD Rg3, Rg1, Rg2 %

5:00000000;                   

6:00010110;                    % const 22 (DEC) %

7:00100001;                    % const 33 (DEC) %

                                   

END;                          


ПРИМЕР 2

DEPTH =256;                    % Memory depth and width are required %

WIDTH =8;                      % Enter a decimal number %

ADDRESS_RADIX= DEC;     % Address and value radixes are optional %

DATA_RADIX =BIN;             % Enter BIN, DEC, HEX, or OCT; unless %

CONTENT

BEGIN

                               %-----------------%

0:11001000;                    % LD Rg1, [10] %

1:00001010;                    

2:01010010;                    % SHR Rg2, Rg1 %

3:00000111;                   

4:01100000;                    % JC 8 %

5:00001000;                   

6:10010010;                    % DEC Rg2, Rg1 %

7:00000000;                   

8:11100010;                    % ST Rg1, [10] %

9:00001010;                   

10:00000001;                   % const= 1 %

                                   

END ;


Значения основныхсигналов и содержимое основных регистров на каждом такте выполнения данныхпримеров программ  приведены в виде временных диаграмм на электронном носителе.

Определение производительности

Среднее количество микрокоманд привыполнении команды процессора можно приблизительно оценить как   4 + 17/8 + 1 =7 микрокоманд на команду процессора. Таким образом, при максимальной тактовойчастоте в 33,3 МГц средняя производительность процессора составит  4, 7 MOPS (или 33,3 М μops / сек).

Тестовая программа Количество команд процессора Количество микрокоманд Время выполнения, нс N / сек ПРИМЕР 1 3 18 540 1851851 ПРИМЕР 2 5 34 1020 980398

Повысить производительностьпроцессора можно одним из следующих способов:

—   Увеличитьразрядность шины-приемника с 8 до 16 бит, и считывать команду из ОЗУ не за тритакта, а за один;

—   Увеличитьфункциональность АЛУ, при этом можно будет сократить длину микрокода длянекоторых команд (особенно для SUB и DEC);

—   Перейти отмикропрограммного управления к управлению на основе жесткой логики;

—   Применитьконвейеризацию;

—   Что-нибудьраспараллелить.

еще рефераты
Еще работы по информатике, программированию