МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им. В.И.Ульянова (Ленина)» (сПбГэту)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине

“АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ”

Для подготовки дипломированных специалистов по направлению

230102.65(220200) - “Автоматизированные системы обработки информации и управления”

на открытом факультете.

Санкт-Петербург

2011

Методические указания к выполнению курсового проекта

(по дисциплине Архитектура современных ЭВМ автор доц. каф. ВТ А.А. Валов)

1. Объект проектирования и оценка эффективности архитектуры

В курсовом проекте разрабатывается архитектура классической принстонской модели ЭВМ с заданными техническими параметрами, которая затем модифицируется с целью повышения производительности ЭВМ. Модификация проекта заключается в реализации конвейерного метода обработки команд программы.

Эффективность архитектуры ЭВМ определяется объемом ресурсов, затрачиваемых для решения задач на этой ЭВМ.

Обычно выделяют два ресурса ЭВМ, объем которых позволяет судить о качестве архитектурного решения. Временной ресурс, определяемый количеством шагов (тактов), затрачиваемых на вычислительный процесс, и аппаратный ресурс (стоимостной), определяемый в условных единицах аппаратных затрат.

В качестве меры эффективности многие исследователи предлагают использовать отношение стоимости к производительности.

В книге Архитектура современных ЭВМ автор Г. Майерс предлагает сравнивать архитектуры по двум параметрам S и M, измеряемым для тестовых программ. S – объем памяти в битах, занимаемый программой и обрабатываемыми ею данными. M – количество битов информации, перемещаемых между процессором и памятью в течении времени выполнения программы. При учебном проектировании описанные параметры вычислить затруднительно.

Воспользуемся в качестве критерия сравнения архитектур оценкой производительности ЭВМ, определяемой количеством вычислений в единицу времени.

Для любой команды ЭВМ можно определить последовательность процедур ее выполнения и оценить среднее время выполнения команды.

Для оценки эффективности решения задачи на ЭВМ нужно решение задачи представить в виде программы. Программа – это смесь команд. Для заданной смеси команд можно найти долю (%) времени выполнения любой команды, входящей в смесь, от общего времени выполнения смеси. После этого, зная среднее время выполнения конкретной команды и, зная какой процент общего времени выполнения смеси приходится на эту конкретную команду, несложно найти среднее время, затрачиваемое на выполнение этой конкретной команды в заданной смеси команд.

Найденное таким образом время выполнения команды позволит реальнее судить о потенциальной производительности проектируемой системы.

2. Исходные данные для курсового проектирования

В проектируемой ЭВМ необходимо иметь средства для виртуальной адресации данных. При организации виртуальной памяти используется страничный способ адресации. Для задания указателя виртуального адреса используется три поля – поле номера региона, поле номера страницы и поле смещения. В поле номера региона задается номер адресного пространства, соответствующего режиму работы ЭВМ. В проектируемой ЭВМ предполагается два режима работы, которым соответствуют равные по объему регионы: системный и пользовательский. В поле номера страницы задается номер строки таблицы описания виртуальных страниц. Каждая строка таблицы содержит начальный адрес виртуальной страницы, если она размещена в основной памяти, и описания атрибутов виртуальной страницы. Перечень атрибутов виртуальной страницы определяется проектировщиком. В поле смещения указывается величина, которую необходимо сложить со значением начального адреса размещения виртуальной страницы для получения адреса хранения требуемого данного.

Проектируемая ЭВМ должна содержать АЛУ, обеспечивающее обработку данных, представляемых с фиксированной точкой – ФТ и с плавающей точкой – ПТ. Для представления данных как с ФТ так и с ПТ используются 32 бита.

Арифметические операции над данными формата с ФТ выполняются в АЛУ комбинационного типа, которое соединено с регистровым файлом, хранящим операнды. Поэтому при выполнении операций преобразования данных в формате с ФТ необходимо данные из основной памяти переместить в соответствующие регистры, количество которых и их разрядность определяются проектировщиком.

Арифметические операции над данными формата с ПТ выполняются в отдельном АЛУ, структуру которого необходимо представить в обобщенном виде.

Алгоритмы выполнения арифметических операций не разрабатываются.

Необходимо разработать векторную систему прерывания, используя программируемый контроллер прерываний. Способ размещения таблицы векторов определяется проектировщиком.

Варианты индивидуальных заданий приведены в следующей таблице. Предполагается проектирование ЭВМ с одноадресными командами.

Принстонская архитектура^

Но-мер ва-	Объем вирту-альной страницы	Способ адресации				Основная память
ри- ан- та	Кбайт	Н	О	П	К	Объем Мбайт	ШД
1	2	+	-	+	+	64	32
2	4	+	-	+	+	32	64
3	8	+	-	+	+	128	64
4	2	+	-	+	+	64	64
5	4	+	-	+	+	32	32
6	8	+	-	+	+	64	32
7	2	+	-	+	+	128	32
8	4	+	-	+	+	32	64
9	8	+	-	+	+	64	32
10	2	+	-	+	+	32	32
11	4	+	-	+	+	128	64
12	8	+	-	+	+	64	32
13	2	+	-	+	+	64	32
14	4	+	-	+	+	32	32
15	8	+	-	+	+	64	64
16	2	+	-	+	+	128	32
17	4	+	-	+	+	64	32
18	8	+	-	+	+	256	32
19	2	+	-	+	+	128	32
20	4	+	-	+	+	64	64
21	8	+	-	+	+	32	32
22	2	+	-	+	+	16	64
23	4	+	-	+	+	32	32
24	8	+	-	+	+	128	64
25	4	+	-	+	+	16	32
26	2	+	-	+	+	16	32

Понятие адресации памяти относится к операционным командам, т. е. командам, выполняющим действия по обработке данных.

Предусмотрено использование четырех основных способов адресации памяти: непосредственная (Н), относительная (О), прямая (П) и косвенная (К).

В задании определяется объем оперативной памяти, к которому необходимо обеспечить доступ, используя способ прямой адресации памяти. Разрядность шины данных (ШД) определяет разрядность памяти.

Наличие поддержки виртуальной памяти для процессоров с традиционной архитектурой подразумевает решение следующих задач:

-  разработки формата и способа хранения таблицы виртуальных и физических страниц;

-  выбора способа преобразования виртуального адреса в адрес физический и разработка аппаратной реализации способа.