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 регистры процессора
11. Примеры программ
12. Определение производительности
Постановка задачи
Синтезировать структуру простого магистрального процессора с одним АЛУ, выполняющего 8 заданных команд. Разработать формат команд, кодировку команд. Разработать структурную схему процессора, функциональные схемы всех блоков процессора, функциональную схему процессора в целом с указанием всех шин и управляющих сигналов.
Разработать формат микрокоманд, организацию управления всеми устройствами процессора, микрокод для каждой из заданных команд. Привести примеры выполнения каждой команды с указанием значения всех основных сигналов и содержимого основных регистров на каждом такте. Привести 2 примера небольших программ с указанием значения основных сигналов и содержимого основных регистров на каждом такте.
Определить максимальную тактовую частоту процессора. Определить производительность процессора в операциях в секунду (IPS), а также выраженную в числе выполняемых тестовых программ в секунду. Указать способы повышения производительности процессора.
Характеристика процессора
Простой процессор магистрального типа с одноблочным универсальным АЛУ.
Разрядность регистров РОН и АЛУ процессора - 8 бит.
Число РОН - 4.
Адресуемая память - 256 слов.
Устройство управления - микропрограммное с ПЗУ микропрограмм.
Способ выполнения команд - последовательное выполнение или JMP или JC.
Адресация памяти - прямая.
Арифметика в дополнительном коде.
Вариант: 54 = «2 2 2 3»
Без использования непосредственной адресации.
3х-адресные команды.
Операции АЛУ: NOP, ADD + SHRA, NAND.
Состав команд: LD, ST, ADD, SHR + JC, DEC, SUB, NAND.
Форматы команд и их кодировка
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 | |
0 | 0 | 0 | x | x | y | y | z | z | | | | | | | | |
|
|
NAND Rx,Ry,Rz | |
КОП | Rx | Ry | Rz | не используется | |
0 | 0 | 1 | x | x | y | y | z | z | | | | | | | | |
|
|
SHR Rx,Ry | |
КОП | Rx | Ry | не используется | |
0 | 1 | 0 | x | x | y | y | | | | | | | | | | |
|
|
JC address | |
КОП | не использ. | address | |
0 | 1 | 1 | | | | | | a | a | a | a | a | a | a | a | |
|
|
DEC Rx,Ry | |
КОП | Rx | Ry | не используется | |
1 | 0 | 0 | x | x | y | y | | | | | | | | | | |
|
|
SUB Rx,Ry,Rz | |
КОП | Rx | Ry | Rz | не используется | |
1 | 0 | 1 | x | x | y | y | z | z | | | | | | | | |
|
|
LD Rx,address | |
КОП | Rx | не исп. | address | |
1 | 1 | 0 | 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 процессораРегистры
|
Номер | При записи (по шине С) | При чтении (по шине A и B) | |
000 | 0 | 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 части регистра команд, на шину A или B поступает единичная константа (00000001). Это вполне допустимо, т.к. старшая часть регистра команд имеет свои выходы 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 в младшей части регистра команд находиться 8-битный адрес. Единичная константа применяется при инкрементировании счетчика команд, а также для получения константы -1 = 11111111 (см. микрокод для команды DEC). Разрядность РОН (регистры общего назначения) - 8 битРазрядность PC (program counter) - 8 битРазрядность IR (регистр команд) - 16 бит (доступно два регистра по 8 бит)
АЛУ Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на рисунке. В состав АЛУ входят регистры Рг1 - Рг7, в которых обрабатывается информация , поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2, ...NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления. Закон переработки информации задает микропрограмма , которая записывается в виде последовательности микрокоманд A1,A2, ..., Аn-1,An. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (на рис. 1 микрокоманды A1,A2,..., Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимости от результата вычислений: признак переполнения, признак отрицательного числа, признак равенства 0 всех разрядов числа др. На рис. 1 эти микрокоманды обозначены р1, p2,..., рm. Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, ...,уs, в ОЗУ. Функции регистров, входящих в АЛУ: Рг1 - сумматор (или сумматоры) - основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений; Рг2, РгЗ - регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции); Рг4 - адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата; Ргб - k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов; Рг7 - i вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.
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 регистра для 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 адрес памяти берется с шины А, а результат подается на шину С WR - запись в ОЗУ При этом адрес памяти 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 адреса следующей 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 осуществляется переход
Микрокод|
Адрес | Микрокоманда | Пояснение | |
012 3 | IR_HI = NOP(PC); READPC = ADD(PC, IR_HI)IR_LO = NOP(PC); READ DECODE | чтение старшего слова командыпереход 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 | | |
2829 30 | Temp0 = NOP(Temp0); JC 30JMP 62 PC = NOP(IR_LO); JMP 0 | организация условного переходаесли условие не выполнилось, то завершить иначе записать в PC новый адрес из IR_LO | |
| DEC Rx, Ry | | |
3637 38 | Temp0 = SHR(IR_HI)Temp0 = NAND(Temp0, Temp0) Rx = ADD(Ry,Temp0); JMP 62 | Temp0 = 0 (00000001 00000000)Temp0 = -1 (11111111) Rx = Ry + Temp0 = Ry + (-1) | |
| SUB Rx, Ry, Rz | | |
44454647 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 00000000)Temp0 = 0 + Rz = Rzинвертировать Temp0 = RzTemp0 = ( ! 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 | | |
6061 | 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 микрокодаDEPTH = 64; % количество слов %WIDTH = 24; % размер слова в битах %ADDRESS_RADIX = DEC; % система счисления для адреса %DATA_RADIX = BIN; % система счисления для данных %CONTENTBEGIN[0..63] : 0; % по умолчанию 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 выполнения командПримеры выполнения каждой команды с указанием значения всех основных сигналов и содержимым основных регистров на каждом 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 программПРИМЕР 1DEPTH = 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 %CONTENTBEGIN %-------------------%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 2DEPTH = 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 %CONTENTBEGIN %-----------------%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 основных сигналов и содержимое основных регистров на каждом такте выполнения данных примеров программ приведены в виде временных диаграмм на электронном носителе.
Определение производительностиСреднее количество микрокоманд при выполнении команды процессора можно приблизительно оценить как 4 + 17/8 + 1 = 7 микрокоманд на команду процессора. Таким образом, при максимальной тактовой частоте в 33,3 МГц средняя производительность процессора составит 4, 7 MOPS (или 33,3 М мops / 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 производительность процессора можно одним из следующих способов:
§ Увеличить разрядность шины-приемника с 8 до 16 бит, и считывать команду из ОЗУ не за три такта, а за один;
§ Увеличить функциональность АЛУ, при этом можно будет сократить длину микрокода для некоторых команд (особенно для SUB и DEC);
§ Перейти от микропрограммного управления к управлению на основе жесткой логики;
§ Применить конвейеризацию;
§ Что-нибудь распараллелить.