Цифровая техника систем управления (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

, ,

Цифровая техника систем управления

Лабораторный практикум

Санкт-Петербург

2010

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Исследование особенностей обработки информации регистровым процессором ……………. 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Микропрограммный автомат с принудительной адресацией и двумя адресными полями …………… 8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Микропрограммный автомат с принудительной адресацией и одним адресным полем …………….. 16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Микропрограммный автомат с разделенной естественной адресацией …………….. 24

Литература ……………. 32

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ РЕГИСТРОВОВЫМ ПРОЦЕССОРОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение особенностей организации и функционирования регистровых вычислительных структур.

Лабораторная работа выполняется на панелях "Комбинационные схемы на сумматорах" и "Преобразователи параллельного кода в последовательный".

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Регистровые вычислительные структуры представляют собой соединение регистров и сумматоров. С помощью таких структур выполняется реализация дискретных устройств обработки информации с любыми передаточными функциями.

Все цифровые устройства работают с использованием принципа синхронной передачи данных, т. е. передача цифровых данных в устройстве тактируется специальными синхроимпульсами. Применение принципа синхронной передачи позволяет обеспечить очень высокую стабильности работы устройства. Частота следования импульсов определяет частоту квантования информации в вычислительном устройстве во времени.

Обычно регистровые процессоры строятся на базе сумматоров, блоков умножения и регистрах. В схеме параллельного сумматора тактировать нечего, так как он реализуется комбинационной схемой. Это является одним из признаков, позволяющим отнести сумматор к безынерционным элементам. Блок умножения может быть посторен, например, на табличном процессоре и его также можно отнести к безынерционным элементам. Триггер, или регистр на его основе, наоборот требует применения тактирования для записи новой информации, т. к. является элементом памяти.

Кроме квантования инфомации по времени, в регистровом процессоре имеют место эффекты квантования уровня. Эффекты квантования уровня проявляются в том, что возможны отличия в характеристиках реальной системы от полученной по ее импульсной модели. В частности, типовыми отличительными эффектами являются:

- появление дополнительной погрешности вычисления значений внутренних переменных;

- появление вычислительной «мертвой зоны», когда при изменении значения входной величины в некоторых пределах выходная величина не изменяется;

- появление неединственности решения разностного уравнения, зависимости установившегося значения выходной переменной не только от значения входной, но и от начальных условий;

- возникновение устойчивых автоколебаний в теоретически экспоненциально устойчивой системе;

- возникновение неустойчивого решения в теоретически сходящемся вычислительном процессе.

В лабораторной работе исследуется простейший регистровый процессор. Следует обратить особое внимание на эффекты квантования уровня сигнала: погрешности представления информации и неединственность состояния равновесия устройства.

Описание лабораторной установки

На панели "Комбинационные схемы на сумматорах" в работе используется четырехразрядный параллельный сумматор. Входы А1-А4 обозначают разряды двоичного числа А, входы В1-В4 - разряды двоичного числа В. Выходы S1-S4 обозначают разряды суммы:

,

причем А1,В1,S1- младшие разряды кодов чисел, Р0- разряд переноса в младший разряд.

На панели "Преобразователи параллельного кода в последовательный" используется параллельный четырехразрядный регистр с входом синхронизации С2. Синхроимпульсы на С2 подаются от генератора №1 этой же панели.

-3-

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Проведите исследование схемы параллельного сумматора. Для этого соберите схему в соответствии с рис.1.

Подавая десять различных кодовых комбинаций на входы А и В, запишите результаты в таблицу 1.1. Вычислите десятичные эквиваленты двоичных чисел, рассматривая их коды сначала как числа без знака (положительные), а затем как числа с старшим знаковым разрядом. Результаты также запишите в таблицу 1.1. По полученным данным сделайте выводы о работе двоичного сумматора.

2. Проведите исследование схемы регистрового процессора. Для этого соберите схему по рис.1.2.

-4-

Коэффициент К = ( 0.5, 1, 2) реализуется сдвигом числа вправо или влево относительно разрядной сетки кода путем соответствующей коммутации соединительных проводников.

Задайте входной код, соответствующий числам А=( 0, 3, 5). Подавая на синхровход С2 регистра тактовые импульсы, снимите реакцию схемы на заданный вход в зависимости от номера такта ( т. е. переходную характеристику ).

3. По полученным в п.2 данным постройте графики реакций схемы на входные вохдействия. Объясните полученные результаты. Вычислите максимальное и минимальное возможные числа в схеме.

Содержание отчета

1. Функциональные схемы исследуемых устройств.

2. Таблицы результатов исследования.

3. Графики переходных процессов в схеме процессора.

4. Выводы по работе, комментирующие полученные результаты.

Контрольные вопросы

1. Как вычислить разрядность выходного значения S сумматора?

2. При каких значениях К в цепи обратной связи процессора ( рис. 1.2) переходной процесс сходится к установившемуся значению?

3. Как вычислить величину установившегося значения сумматора?

4. Сколько различных установившихся значений может иметь выходная величина процессора ( рис.1.2) при К = 0.5 ?

5. Почему переходной процесс в схеме на рис. 1.2 при К = 0,5 заканчиватся за конечное время?

6. Как вычислить передаточную функциюдля импульсной модели схемы 1.2?

Лабораторная работа №2

Микропрограммный автомат с принудительной адресацией и двумя адресными полями

Цель работы: изучить особенности программирования автомата с принудительной адресацией и двумя адресными полями.

Краткие сведения из теории

Микропрограммные автоматы (МПА) предназначены для формирования двоичных кодовых последовательностей. Основные применения МПА : программное управления объектами автоматики, генерирование задающих воздействий для автоматических систем, формирование последовательности кодов управления ходом вычислений в цифровых устройствах обработки информации.

МПА является одним из простейших программируемых устройств автоматики и вычислительной техники. Микропрограммный автомат можно рассматривать, как симбиоз табличного и регистрового способа вычислений. Схема простейшего автомата показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема микропрограммного автомата

Простейший микропрограммный автомат состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и регистра, охваченных обратной связью. Из-за наличия в схеме регистра, обновление выходной величины происходит в дискретные моменты времени, определяемые поступлением входного тактового импульса. Поведение автомата определяется записанными в ПЗУ данными. В силу использования табличного способа, автомат ничего не вычисляет, он только воспроизводит записанные в ПЗУ данные. Однако, в отличие от табличного способа вычислений, за счет имеющейся обратной связи автомат, способен формировать кодовые последовательности при постоянном входном сигнале.

Содержимое постоянного запоминающего устройства называется микропрограммой, а содержимое одной ячейки памяти – микрокомандой. Регистр называют регистром микрокоманд.

Для разработки микропрограммы работы автомата обычно применяется персональный компьютер и специальное программное обеспечение процедуры формального синтеза. В настоящее время все ведущие фирмы, выпускающие соответствующие цифровые микросхемы, предлагают прикладное программное обеспечение, позволяющее формально синтезировать автоматы. Поддерживается полный цикл разработки:

- пользователь задает разрядности входной и выходной переменных, тактовую частоту работы устройства и алгоритм работы автомата на специальном языке высокого уровня;

- компьютер определяет требуемые объемы регистровой и долговременной памяти и предлагает пользователю подходящие марки серийно выпускаемых микросхем;

- пользователь выбирает желаемую микросхему и компьютер разрабатывает микропрограмму работы для конкретного изделия;

- с помощью программатора, подключенного к компьютеру, пользователь физически записывает микропрограмму в память выбранной микросхемы.

После выполнения указанных действий микропрограммный автомат, разработанный пользователем, в принципе изготовлен и может быть использован по назначению.

В данной лабораторной работе используется другой подход. Для того, чтобы разобраться в особенностях программирования автоматов и понять их возможности, применим ручную (т. е. неформальную) разработку микропрограммы. Для облегчения процедуры программирования усложним схему микропрограммного автомата, запретив в его функционировании несанкционированные переходы по программе.

Обобщенная схема лабораторной установки

На рисунке 2.2 показана обобщенная схема лабораторной установки.

Рисунок 2.2 – Обобщенная схема лабораторной установки

В схему автомата введены дополнительные элементы – входной мультиплексор MUX и схема выбора адреса микрокоманды СВА. Кроме того, примено структуирование шины обратной связи. Проводники шины сгруппированы в поля – y(m), Nx, A1 и A0 . Такое усложнение схемы позволит облегчить процесс разработки микропрограммы.

Варианты выполнения лабораторной работы

В работе предполагается, что МПА имеет одноразрядный управляющий вход Х и многоразрядный выход Y. В зависимости от значения входного сигнала ( Х=0 или Х=1) вырабатываются различные кодовые последовательности. В таблице 2.1 приведены варианты заданий кодовых последовательностей автомата.

Таблица 2.1 Варианты заданий работы МПА

№ варианта	Х = 0	Х = 1
1	-0-1-…	стоп
2	-…	…
3	-0-1-…	стоп
4	-…	-…
5	-…	-…
6	-…	-…
7	-0-2-0-…	-0-…
8	…	-0-1-…
9	-…	-0-3-…

Пример программирования автомата

Для примера рассмотрим вариант программирования автомата для формирования кодовой последовательности: при Х = 0 Y = …, при Х = 1 Y = СТОП.

На рисунке 2.3 показан формат используемой микрокоманды (а) и ее графическое изображение (б).

Рисунок 2.3 - . МПА с принудительной адресацией и двумя адресными полями: формат микрокоманды (а) и ее графическое изображение (б).

Микрокоманда состоит из 4 полей – поля значения выходной переменной Y (оператор присваивания), поля номера проверяемого входа Х ( оператор проверки условия) и двух адресный полей А0 и А1. Логика исполнения условной части команды следующая: если на проверяемом входе (Х) сигнал 0, то следующая микрокоманда читается из ячейки с адресом А0 , иначе – из ячейки с адресом А1. Так как одна микрокоманда исполняется целиком за один такт работы автомата, то операция присваивания и условная операция неразделимы. Этот факт необходимо учитывать при разработке программы, т. е. программу надо строить из блоков по две операции.

Так как адрес следующей микрокоманды выбираетя из двух полей А0 или А1 , то СВА для такого автомата может быть реализована на мультиплексоре.

На рисунке 2.4 показана блок-схема программы, реализующая кодовую последовательность рассматриваемого примера работы МПА. Она представляет собой последовательность команд, каждая из которых состоит из двух операций – присваивания и проверки условия. Команды программы обозначены символами Si , где i – адрес ячейки памяти, где хранится команда. У МПА данного типа возможны любые адресные переходы, поэтому команды могут располагаться в любых ячейках памяти программ ( постоянном запоминающем устройстве - ПЗУ). При назначении адресов ячеек памяти (индексов i команд) был применен самый простой принцип – команды располагаются последовательно в свободных ячейка по мере появления в блок-схеме программы.

В каждой команде выполняется проверка состояния входного сигнала и выполняется соответствующий переход к следующей команде. Если входной сигнал Х=0, то читается микрокоманда из следующей ячейки; если сигнал Х = 1, то повторяется выполнение текущей микрокоманды, т. е. реализуется СТОП.

Так как расположение команд в памяти программ определяется номером команды, то легко записать программу работы автомата в

Рисунок 2.4 - Блок-схема программы виде двоичных кодов. работы автомата Программа работы автомата приведена в таблице 2.2.