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

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

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 процессора

P  C

 

Регистры

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 бит
Разрядность PC (program counter) – 8 бит
Разрядность 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
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
JMP ADDRESS – адрес в памяти микропрограмм, куда осуществляется переход

Микрокод

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;                  % 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 команд
Примеры 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

 

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 основных сигналов и содержимое основных регистров на каждом такте выполнения данных примеров программ  приведены в виде временных диаграмм на электронном носителе.

Определение производительности

Среднее 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 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 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.