МИНЕСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

Курсовая работа

«Создание процессора»

по дисциплине

«Введение в информационные технологии»

Выполнил: студент гр. БВТ2202

Дави говно, хочу быть лысым

.

Проверил: Симонов С.Е.

Москва, 2022 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Глава 1. Сборка процессора 8

1. Архитектура команд 8

1.1.1 Команды 2 типа 8

1.1.2 Команды 3 типа 11

1.1.3 Команды 1 типа 12

2. Проектирование шины и памяти ОЗУ. 13

3. АЛУ 14

1.3.1 Работа АЛУ 14

1.3.2 Флаги 14

4. Регистры 15

1.4.1 Регистры специального назначения 15

1.4.2 Регистры общего назначения 16

Глава 2. Дешифратор и устройство управления 16

1. Выбор типа процессора. 16

2. Устроство управления и дешифратор. 18

Глава 3. Реализация алгоритма 17

1. Изменение процессора 17

2. Решение задачи 19

Вывод 20

Источники информации 21

Введение

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платы, устанавливавшиеся в стойки.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержавшие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии, БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора.

Сейчас слова «микропроцессор» и «процессор» практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев.

Как же работает процессор? Давайте разберемся сначала с основными компонентами процессора.

Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (системную магистраль).

Шина – это кабель, состоящий из множества проводников. Количество проводников, входящих в состав шины, является максимальной разрядностью шины.

Системная шина, в свою очередь, представляет собой совокупность

• шины данных, служащей для переноса информации;

• шины адреса, которая определяет, куда переносить информацию;

• шины управления, которая определяет правила для передачи информации;

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины.

Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.

Устройство управления (УУ) формирует адрес команды, которая должна быть выполнена в данном цикле, и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей ячейки запоминающего устройства (ЗУ). Считанная команда передается в УУ. По информации, содержащейся в адресных полях команды, УУ формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из ЗУ и передачи в арифметико-логическое устройство (АЛУ). После считывания операндов устройство управления по коду операции, содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение операции. Полученный результат записывается в ЗУ по адресу приемника результата под управлением сигналов записи. Признаки результата (знак, наличие переполнения, признак нуля и так далее) поступают в устройство управления, где записываются в специальный регистр признаков. Эта информация может использоваться при выполнении следующих команд программы, например команд условного перехода.

Устройство ввода позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в оперативную память. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры, либо они должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель (дисковый накопитель).

Устройство вывода служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью печатающих устройств или на экран дисплея.

Запоминающее устройство или память – это совокупность ячеек, предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом. Информацией, записанной в ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные.

Обработка данных и команд осуществляется посредством арифметико-логического устройства (АЛУ), предназначенного для непосредственного выполнения машинных команд под действием устройства управления. АЛУ и УУ совместно образуют центральное процессорное устройство (ЦПУ). Результаты обработки передаются в память.

Дешифратор команд позволяет процессору расшифровать данные из шины, тем самым улучшить работу ЦПУ, упрощая ее работу доп. возможностями. Он преобразует n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Число входов и выходов в так называемом полном дешифраторе связано соотношением m=2**n, где n- число входов, а m— число выходов. На неполном же дешифраторе число выходов меньше, чем максимальное возможное количество.

Всего есть 2 основных архитектуры процессора – Гарвардская и архитектура Фон Неймона. Главное их отличие это принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера.

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти. Она характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при архитектуры Фон Неймона.

Архитектура фон неймона характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные.

Это позволяет данной архитектуре получить несколько преимуществ:

• Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Таким образом, обеспечивается возможность более эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения.

• Использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность.

Свой процессор же процессор я создал на архитектуре Фон Неймона и попробовал сделать без регистрового файла. Он облегчает работу и улучшает производительность процессора, но кажется не обязательным для понимания работы процессора, как и устройство ввода. Также отказ от регистрового файла сильно облегчит создание УУ и дешифратора, что позволило объединить их в один блок. Общая структура моего процессора такая:

Основные принципы работы процессора:

В ОЗУ хранятся команд, адреса и данные.

На вход address со счетчика или другого устройства поддается номер ячейки адреса, в которой храняться данные. Вход tackt позволяет записать данные из data save по в address если на подается 1. Выход данных обозначается data.

Счетчик же обновляется при изменении тактового генератора и других команд.

Из data идет шина данных в специальные регистры, которые управляют АЛУ и другими элементами (о них позже) и в регистр temp. Эти два регистра работают по разному фронту, поэтому после подачи команд и адреса в спец. регистры происходит изменение адресса в ОЗУ и данные попадают в temp, а после в АЛУ.

Со следующим тактом все команды выполняются (например результат из АЛУ записывается в аккумулятор, результаты из аккумулятора выводатся в регистр вывода и т.д.) и счетчик переключается с помощью тактового генератора на другой адрес в ОЗУ, чтобы выполнить следующую команду.

Запись на регистры, а значит и выполнение тех или иных команд зависят от фронта их работы. Передний фронт означает, что запись происходит при смене сигнала с 0 на 1, а задний с 1 на 0, поэтому адресса и команды не записываются в темп и не идут дальше как числа для АЛУ. На схеме каждый регистр подписан по какому фронту он работает (p – передний, z – задний)