Эмулятор учебной цифровой вычислительной машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

эмулятор учебной цифровой вычислительной машины



Введение

Использование при проведении практических и лабораторных занятий специализированных установок, стендов, тренажеров, обучающих систем и электронных учебников на базе персональных ЭВМ, программных моделей, эмуляторов и других компьютерных технологий и средств индивидуального и группового обучения, в том числе и дистанционного, существенно повышает эффективность обучения и подготовки специалистов в области вычислительной техники.

При этом отпадает необходимость в использовании дорогостоящих, а порой и уникальных и труднодоступных средств вычислительной техники, и в то же время, повышается качество приобретаемых умений и практических навыков их эксплуатации.

Одним из вариантов имитации построения и функционирования универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением является лабораторная установка «Учебная цифровая вычислительная машина» (УЦВМ), разработанная на кафедре вычислительной техники академии, которая в течение продолжительного времени использовалась для проведения лабораторных и практических занятий при изучении дисциплин кафедры (рисунок 1).



Рисунок 1 - Общий вид лабораторной установки «Учебная ЦВМ»

Однако обладая большим набором положительных свойств и достоинств, позволяющих эффективно использовать УЦВМ в учебном процессе, эта установка-тренажер имела один существенный недостаток, ограничивающий ее возможности при длительной эксплуатации. Таким недостатком явилось использование при её построении электронных микросхем, «старение» которых во времени становилось причиной сбоев, искажений результатов вычислений и отказов в её работе.

Кроме того, для поддержания установки в работоспособном состоянии, устранения неисправностей и подготовки её к работе требовались дополнительные затраты времени и обслуживающий персонал.

Поэтому остро встал вопрос о сохранении «обучающего» потенциала УЦВМ и устранении присущих ей недостатков, с одновременным расширением набора её положительных свойств и достоинств, таких как наглядность, тиражируемость, гибкость управления, открытость для модификации и модернизации, перемещаемость в пространстве, сокращение эксплуатационных затрат и многих других свойств.

Целью предлагаемой конкурсной работы явилась разработка аппаратного - программного эмулятора УЦВМ, обоснование возможности использования его в учебном процессе и реализация методики проведения практических занятий на его основе.



1. Учебная цифровая вычислительная машина

1.1 Краткая история появления и использования УЦВМ в учебном процессе

Учебная цифровая вычислительная машина (УЦВМ) представляет собой упрощенный вариант универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением.

Учебная ЦВМ ("УЦВМ-205") была разработана коллективом преподавателей кафедры вычислительной техники.

Учебная ЦВМ на выставке достижений народного хозяйства (ВДНХ) была удостоена диплома 3 степени, а группа авторов была награждена бронзовыми медалями ВДНХ.

Эта установка, по существу, представляет собой аппаратную модель универсальной "ЦВМ в разрезе", реализованную на интегральных микросхемах и позволяющую наглядно и доходчиво обучать принципам построения и функционирования любого вычислительного средства с программным управлением.

Более четырех десятилетий эта установка использовалась в учебном процессе на кафедре и в некоторых других военных ВУЗах.

Всего было изготовлено 4 таких установки, которые позволяли проводить лабораторные и практические занятия по принципам построения и функционирования средств вычислительной техники со слушателями и курсантами индивидуально и в составе расчетов. Тем самым достигалась возможность обучения основам ЭВМ более наглядным и дешевым способом.

В настоящее время эти установки потеряли свою работоспособность и восстановлению не подлежат



1.2 Основные возможности и достоинства учебной ЦВМ

Спрашивается, чем объяснить такое «долголетие» УЦВМ и попытки её воспроизведения в современной интерпретации?

Причины такого долголетнего использования лабораторных установок УЦВМ в учебном процессе и стремления воссоздания парка таких машин в настоящее время состоят в следующем.

Во-первых, установка однозначно и в наглядном виде отображает реализацию принципа программного управления вычислительным процессом, являющимся основополагающим для построения и функционирования всех ЭВМ с дискретным способом представления информации и программным способом управления её обработкой. Этот принцип был разработан одним из основоположников появления цифровых вычислительных машин фон-Нейманом и до настоящего времени реализуется во всех вычислительных средствах с программным управлением.

Во-вторых, в установке реализуются все дополнительные механизмы программного управления, такие как хранение в памяти машины программы решаемой задачи и исходных данных, двоичное кодирование команд и операндов, естественная выборка команд из памяти машины при реализации программ решаемых задач, условная и безусловная передача управления вычислениями, возможность модификации отдельных команд без изменения программы в целом и другие свойства.

В-третьих, лицевая панель установки в наглядном виде представляет классическую фон-неймановскую структуру вычислительной машины, состоящую из пяти основных устройств: устройства управления (УУ), арифметического устройства (АУ), запоминающего устройства (ЗУ), устройства ввода (УВв), устройства вывода (УВыв), и необходимые связи между ними (шинный интерфейс). Каждое из устройств представляет набор взаимосвязанных функциональных элементов и узлов, необходимых для реализации вычислительного процесса под управлением выполняемых команд решаемых задач. Это позволяет на занятиях и самостоятельно изучать структуру и аппаратурный состав машины, а также наблюдать работу и взаимодействие элементов и узлов машины в процессе её работы. Тем самым, более эффективно усваиваются принципы построения и функционирования элементов, узлов, устройств и машины в целом.

В-четвертых, система управления вводом-выводом, выбором режимов работы, пуском, прерыванием, продолжением и остановкой работы машины (пользовательский интерфейс) позволяет достаточно просто управлять работой машины и отслеживать все её этапы в зависимости от выбранного режима функционирования («Такт», «Цикл», «Автомат»).

В-пятых, разветвленная система индикации, отражающая состояние и изменение состояний элементов, узлов, устройств и органов управления работой машины позволяет детально и наглядно «увидеть» изнутри процессы ввода, выборки, получения и передачи результатов обработки информации от узла к узлу, от устройства к устройству на каждом этапе работы машины (по тактам и циклам). Эта возможность отображать состояние и работу «машины в разрезе» является уникальной и не поддается никакому сравнению даже с современными программными моделями подобных процессов и устройств, где все взаимодействия между устройствами отображаются на уровне «черных ящиков».

Рассмотренные выше принцип программного управления и его механизмы, реализуемые в современных универсальных ЦВМ, остались неизменными. Расширились лишь возможности вычислительных машин в направлении совершенствования их элементной базы и повышения производительности, оптимизации параметров вычислительного процесса, расширения сервисных возможностей, упрощения программирования задач, совершенствования пользовательского интерфейса и улучшения других возможностей. Сам же принцип программного управления остается неизменным.

Поэтому перечисленные особенности и достоинства учебной ЦВМ, позволяющие улучшить обучение в области вычислительной техники, являются ответом на вопрос о причинах «долголетия» УЦВМ и одновременно основой для выбора способа реализации её новой модели на основе современных компьютерных технологий.



2. Эмулятор учебной ЦВМ

2.1 Определение и назначение эмулятора УЦВМ

Одним из способов воссоздания учебной ЦВМ на новой технологической основе может быть разработка и использование эмулятора УЦВМ.

Эмулямция (англ. emulation) -- воспроизведение программными или аппаратными средствами либо их комбинацией работы других программ или устройств.

Целью эмуляции являются:

- создание нового микропроцессора/ЦВМ. В этом случае при помощи эмулятора (программы или устройства) выполняются команды этого процессора/ЦВМ;

- необходимость выполнения программного обеспечения, написанного для другого устройства или операционной системы;

- тестирование программ, написанных для различных систем.

2.2 Виды эмуляторов

Эмуляторы бывают аппаратные, программно-аппаратные и программные.

В случае аппаратного или программно-аппаратного комплекса эмулятором является специальное электронное устройство, выполненное в виде платы, устройства, микропроцессора или ЭВМ.

Эмуляция позволяет выполнять компьютерную программу на платформе (компьютерной архитектуре и/или операционной системе), отличной, или в некоторых случаях идентичной той, для которой она была написана в оригинале.

Эмуляцией также называют сам процесс этого выполнения. В отличие от симуляции, которая лишь воспроизводит поведение программы, при эмуляции ставится цель точного моделирования состояния имитируемой системы при выполнении оригинального машинного кода.

При использовании языков высокого уровня, иногда в целях сохранения быстродействия исполняемой программы, вместо эмуляции делают портирование программ в новую среду. В этом случае производится переписывание заново аппаратно-зависимых участков кода.

Одно из популярных применений эмуляции -- выполнение на персональном компьютере игр, написанных для игровых автоматов или игровых приставок.

Теоретически, согласно тезису Чёрча-Тьюринга, любая операционная среда может быть эмулирована в любой другой среде. На практике, однако, встречается ряд трудностей; в частности, точное поведение эмулируемой системы часто не документированно (или скрывается под грифом коммерческой тайны) и должно быть исследовано и определено с помощью обратной разработки.

Достаточно полная эмуляция некоторой аппаратной платформы требует предельной точности, до уровня отдельных тактовых циклов, недокументированных особенностей и даже ошибок реализации. Это особенно важно для таких моделей классических машин, программное обеспечение которых сильно зависит от программистских решений. Выбор конкретного решения происходит с целью оптимизации по размеру или скорости выполнения программы, применяемой, например, программистами игр.Такие программы достаточно часто бывают основаны на недокументированных возможностях процессора или операционной системы.

В противоположность этому, на некоторых других платформах довольно мало используется прямой доступ к оборудованию. В этом случае оказывается достаточным обеспечить некоторый уровень совместимости, обеспечивающий трансляцию системных вызовов эмулируемой системы в вызовы работающей системы.

Обычно, эмулятор состоит из нескольких модулей, отвечающих за различные подсистемы эмулируемого компьютера. Чаще всего, эмулятор состоит из:

- эмулятора или симулятора центрального процессора;

- модуля подсистемы памяти, эмулирующего ОЗУ и ПЗУ;

- модуля или модулей эмуляции различных устройств ввода/вывода.

Системная шина обычно не эмулируется, по причинам упрощения или повышения производительности, и виртуальная периферия обращается непосредственно к модулю ЦП и модулю памяти.

2.3 Требования, предъявляемые к эмулятору УЦВМ

Для того, чтобы разрабатываемый эмулятор мог выполнять те функции, которые на него возлагаются, он должен отвечать определенным требованиям, предъявляемыми к нему со стороны тех лиц, которые будут его использовать для проведения занятий (обучающих), и тех, кто будет на этих занятиях обучаться (обучаемых).

К числу таких требований можно отнести следующие:

- всережимность - воспроизводятся все без исключения режимы работы УЦВМ («Такт», «Цикл», «Автомат»);

- обновляемость - в связи с постоянной международной ротацией программно-технических средств происходит периодическая замена программно-аппаратной платформы разрабатываемых эмуляторов;

- автоматический контроль работы оператора - программа должна оценивать правильность и полноту выполненных заданий человеком-оператором. В случаях отклонений в его работе должно выдаваться об этом сообщение или блокироваться дальнейшее выполнение работы;

- система поддержки оператора - в процессе выполнения задания оператор может обратиться к указанной системе за подсказкой;

- возможность изменения масштаба времени - имеется возможность ускорения и замедления масштаба времени, т.е. ускорение медленных процессов («Такт» - «Цикл», «Цикл» - «Автомат») и замедление быстропротекающих процессов («Автомат» -«Цикл», «Цикл» - «Такт»);

- функциональная полнота - количество задач, решаемых с использованием эмулятора, должно быть достаточным для всестороннего раскрытия и отображения его возможностей;

- полномасштабность - полное подобие рабочего места оператора как в случае пультового управления при использовании установки-тренажёра (рис,1), так и в случае компьютерного управления с использованием монитора ПЭВМ;

- наглядность - возможность наблюдения текущего состояния УЦВМ и детального изменения во времени и в пространстве состояний её элементов, узлов, устройств под воздействием команд решаемых задачь;

- тиражируемость - возможность копирования эмулятора на различных ПЭВМ в зависимости от количества обучаемых в группе.

Эти требования были приняты за основу при разработке программы-эмулятора.

2.4 Возможности и достоинства эмулятора УЦВМ

Учебная ЦВМ позволяет на лабораторных и практических занятиях закрепить полученные на лекциях знания и овладеть практическими навыками по следующим учебным вопросам:

- двоичная и восьмеричная системы счисления;

- представление числовых данных в разрядной сетке ЦВМ в естественной форме;

- образование и использование прямых и специальных кодов чисел при выполнении машинных операций;

- структура и форматы команд ЦВМ;

- способы адресации данных в ЦВМ;

- структура и состав универсальной ЦВМ;

- организация взаимодействия элементов, узлов и устройств ЦВМ в цикле её работы;

- программирование в машинных кодах линейных, разветвляющихся и циклических алгоритмов;

- работа с подпрограммами;

- особенности работы машины при выполнении команд управления и переполнении разрядной сетки.

- исследование особенностей построения и реализации алгоритмов машинных операций, определенных системой команд машины.

Эмулятор целесообразно использовать при обучении средствам вычислительной техники курсантов младших курсов и начинающих обучение вычислительной технике слушателей факультета переподготовки и повышения квалификации академии.

Достоинствами эмулятора являются:

- неограниченное время и высокая надежность функционирования;

- возможность тиражирования программы для проведения практических занятий с требуемым числом обучающихся;

- возможность индивидуального обучения с контролем этапов выполнения занятия, тестированием и оценкой результатов выполнения индивидуального задания обучающимися;

- возможность дистанционного обучения с использованием компьютерных сетей и систем дистанционного обучения (например, «Модус»);

- возможность гибкой модернизации эмулятора с учетом предъявляемых к нему новых требований путем изменения или введения в программу необходимых дополнительных команд;

- отсутствие затрат на обслуживание и поддержание программы в работоспособном состоянии.

- возможность работы с эмулятором в одном из желаемых режимов: «Такт», «Цикл», «Автомат».

Программно - аппаратный эмулятор, как следует из его описания, состоит из двух взаимосвязанных частей:

- программной части, состоящей непосредственно из программы - эмулятора учебной ЦВМ, реализуемой программными средствами ПЭВМ;

- аппаратной части, включающей ПЭВМ в базовом составе, на которой выполняется процесс эмуляции учебной ЦВМ.

В работе основное внимание уделено разработке программной части эмулятора УЦВМ.



3. Архитектура учебной ЦВМ

3.1 Понятие об архитектуре УЦВМ

Использование эмулятора УЦВМ в учебном процессе предполагает изучение и отработку практических навыков по организации вычислительного процесса в программно-управляемых ЦВМ. При этом сложность современных вычислительных средств, в том числе и УЦВМ, закономерно привела к понятию архитектуры этих средств, охватывающего комплекс общих вопросов их построения и функционирования.

Архитектура УЦВМ представляет собой совокупность общих принципов организации её аппаратных средств, их логических возможностей и программного обеспечения функционирования УЦВМ в целом.

Понятие архитектуры УЦВМ отражает особенности её структурного построения, способы обращения ко всем доступным для пользователя элементам структуры, набор выполняемых УЦВМ операций и форматы соответствующих им команд, формы представления данных и способы их адресации, организацию совместной работы различных устройств машины и обмен данными между ними. Другими словами, архитектура УЦВМ в полной мере отражает взаимодействие её аппаратных и программных средств.

Как следует из сказанного, круг вопросов, подлежащих рассмотрению при разработке и анализе архитектуры УЦВМ, весьма широк. Поэтому в дальнейшем более подробно будут рассмотрены следующие наиболее важные и определяющие факторы её архитектуры:

- аппаратные средства, реализующие функции УЦВМ;

- логические возможности УЦВМ;

- программные средства, обеспечивающие функционирование эмулятора УЦВМ в соответствии с алгоритмами решаемых задач.

Рассмотрим каждый из факторов архитектуры более подробно.



3.2 Аппаратные средства УЦВМ

Учебная ЦВМ выполняет две основные функции - обработку информации и управление этой обработкой.

Обработка включает передачу данных между элементами, узлами и устройствами УЦВМ и выполнение над ними требуемых машинных операций.

Управление обработкой данных определяет, как обрабатывать эти данные.

Структурная схема УЦВМ (рис. 2) даёт возможность наглядно рассмотреть её работу по выполнению этих двух функций. При этом необходимо учитывать следующие особенности УЦВМ.



Рисунок 2. - Структурная схема УЦВМ

1. Порядок выполнения машинной операции для реализации заданного алгоритма определяется программой. Программа состоит из совокупности определенного числа команд, в каждой из которых содержатся указания о том, какую операцию и над какими исходными данными требуется выполнить. В машине программа представляется кодами команд, которые хранятся в ячейках памяти запоминающего устройства. В процессе работы машины коды команд выбираются из запоминающего устройства и соответствующие им команды исполняются.

2. Совокупность действий, совершаемых элементами, узлами и блоками машины при извлечении кода команды из запоминающего устройства и исполнение данной команды, называется циклом работы машины. Цикл работы машины разбивается на такты. В каждом такте выполняется вполне определенное действие (элементарная операция).

3. В ЦВМ с естественной выборкой команд выборка кодов команд из запоминающего устройства и исполнение команд осуществляется в порядке номеров ячеек запоминающего устройства, в которых они хранятся. Адрес очередной команды образуется путем увеличения на единицу адреса предыдущей команды. При возникновении необходимости нарушения естественного порядка выполнения команд предусматриваются специальные команды - команды условной и безусловной передачи управления. В этих случаях адрес очередной команды указывается в адресной части команды передачи управления.

4. Команды, исходные данные и результаты операций в машине представляются в виде цифровых кодов и хранятся в запоминающем устройстве машины. Если цифровой код из ячейки ЗУ поступает в арифметическое устройство, то он интерпретируется машиной как код числа (код операнда). Эта особенность ЦВМ позволяет в процессе решения задачи внутри машины формировать новые команды.

Состав устройств и принципы функционирования УЦВМ соответствует составу основных устройств и основным принципам функционирования реальных ЦВМ. Она обладает развитой системой индикации состояния элементов и узлов, малой скоростью работы, что позволяет эффективно ее использовать в учебном процессе.

Объем памяти и система команд УЦВМ позволяет реализовать на машине простейшие программы, иллюстрирующие основные приемы техники программирования.

В соответствии с представленной структурой (рис.2) в состав УЦВМ входят следующие основные устройства:

- запоминающее устройство (ЗУ);

- арифметическое устройство (АУ);

- устройство управления (УУ);

- входное устройство (Вх.У);

- выходное устройство (Вых.У).

На левой вертикальной панели (рис.2) изображена структурная схема устройства управления, на средней вертикальной панели изображена структурная схема запоминающего устройства, на правой вертикальной панели изображены структурные схемы арифметического устройства и выходного устройства УЦВМ. Все элементы и узлы на структурных схемах содержат индикаторные лампочки.

Запоминающее устройство УЦВМ предназначено для хранения кодов чисел и кодов команд программы и представляет собой адресное ЗУ с произвольным доступом, построенное по одномерной схеме.

В состав ЗУ (рис.2) входят:

- блок хранения кодов (БХК);

- группа разрядных формирователей;

- группа усилителей;

- группа клапанов (К);

- триггер восстановления (Тр.В);

- регистр адреса (РА);

- дешифратор адреса;

- группа адресных формирователей.

Блок хранения кодов состоит из пятнадцати ячеек памяти.

Каждая ячейка памяти предназначена для одного семиразрядного кода команды.

Ячейки памяти имеют номера от 00012до 11112. Номер ячейки памяти показывает адрес хранимого в ней кода.

Запись кода в ячейку памяти и считывание кода из ячейки памяти производится в процессе обращения к ЗУ.

Для обращения к определенной ячейки памяти в ЗУ необходимо номер этой ячейки памяти записать на регистр адреса. При этом дешифратор адреса подготавливает к работе один из пятнадцати адресных формирователей, соответствующей требуемой ячейки памяти.

При поступлении по шине из устройства управления сигнала «Обращение к ЗУ» избранный адресный формирователь формирует сигналы, управляющие работой ячейки памяти.

При обращении к ЗУ с целью считывания код с выходов усилителей по кодовым шинам числа КШЧ поступает в устройство управления и в арифметическое устройство. Прием кода в УУ происходит при открытых клапанах К1 в УУ; прием кода в АУ происходит при открытых клапанах К1 в АУ. Кроме того, считанный код с выходов усилителей проходит через открытые клапаны К на разрядные формирователи и вновь записывается (восстанавливается) в ту же ячейку памяти.

При обращении к ЗУ с целью записи клапаны К в ЗУ закрыты, поэтому считанный код никуда не поступает и теряется. На разрядные формирователи подается и записывается в избранную ячейку памяти код, поступающий из АУ по кодовым шинам числа (КШЧ).

Состояние клапанов К в ЗУ определяется состоянием триггера восстановления (Тр.В). Клапаны К открыты при единичном состоянии триггера.

Арифметическое устройство УЦВМ предназначено для выполнения двух арифметических операций (сложения и вычитания) с числами, представленными в форме с фиксированной запятой, и двух посылочных операций - приёма кода в АУ и выдачи кода из него.

В арифметическом устройстве операция сложения и операция вычитания выполняются с использованием операции сложения модифицированных обратных кодов. Число, являющееся результатом выполнения операции, выдается из АУ в ЗУ или в выходное устройство в прямом коде.

В состав АУ входят:

- регистр числа (РЧ);

- параллельный накапливающий сумматор (См);

- пять групп клапанов (K1, K2, К3, К4 и К5);

- триггер регистра числа (Тр.РЧ).

Знаковый разряд в регистре числа выполнен по схеме одноразрядного накапливающего сумматора, что позволяет при выполнении операции вычитания изменять знак прямого кода вычитаемого. Параллельный накапливающий сумматор, предназначенный для выполнения операции сложения модифицированных обратных кодов, кроме шести числовых разрядов содержат два дополнительных (знаковых) разряда и имеет цепь циклического переноса для передачи единицы переноса из старшего дополнительного (знакового) разряда в младший числовой разряд.

Клапаны K1 используются при приёме прямого кода числа, считанного в ЗУ, на регистр числа. Клапаны K1 открыты при единичном состоянии триггераТр.РЧ.

Клапаны К2 используются для передачи кода из регистра числа в сумматор без изменения цифр в разрядах кода, что соответствует преобразованию прямого кода в модифицированный обратный код для положительного числа.

Пример: [Х2]пр = 0,101101; [Х2]модпр = 00,101101.

Клапаны К3 используются для передачи кода из регистра числа в сумматор с изменением цифр в числовых разрядах кода, что соответствует преобразованию прямого кода в модифицированный обратный код для отрицательного числа.

Пример: [Х2]пр = 1,101101; [Х2]модпр = 11,010010.

Выбор группы клапанов К2 или K3 при выдаче кода числа из регистра числа на сумматор определяется цифрой в знаковом разряде регистра числа.

Клапаны К4 используются для выдачи числа из сумматора в КШЧ без изменения цифр в разрядах кода, что соответствует преобразованию модифицированного обратного кода в прямой код для положительного числа.

Пример: [Х2]модобр = 00,011001; [Х2]пр = 0, 011001.

Клапаны К5 используются для выдачи числа из сумматора в КШЧ с изменением цифр в числовых разрядах кода, что соответствует преобразованию модифицированного обратного кода в прямой код для отрицательного числа.

Пример: [Х2]модобр = 11,011001; [Х2]пр = 1, 100110.

Выбор группы клапанов К4 или К5 при выдаче кода числа из сумматора определяется цифрой в старшем дополнительном (знаковом) разряде сумматора.

При выполнении операции сложения модифицированный обратный код первого слагаемого находится в сумматоре, прямой код второго слагаемого принимается на регистр числа и далее через клапаны К2 или К3 передается в сумматор с преобразованием из прямого кода в модифицированный обратный код. В сумматоре выполняется операция сложения модифицированных обратных кодов и образуется модифицированный обратный код суммы.

При выполнении операции вычитания модифицированный обратный код уменьшаемого находится в сумматоре, прямой код вычитаемого принимается на регистр числа, где происходит изменение знака вычитаемого, и далее через клапаны К2 или K3 передаётся в сумматор с преобразованием из прямого кода в модифицированный обратный код. В сумматоре выполняется операция сложения модифицированных обратных кодов к образуется модифицированный обратный код разности.

В АУ вырабатывается сигнал щ, являющийся признаком результата операции. Сигнал щ принимает единичное значение, если результат операция отрицательный. Он снимается с младшего дополнительного (знакового) разряда сумматора и подаётся в устройство управления, где используется при выполнении команды условной передачи управления.

Если в результате выполнения операции сложения или операции вычитания должно быть получено число, абсолютная величина которого превосходит максимальное число, записанное в данной разрядной сетке, то возникает переполнение разрядной сетки и образующийся в сумматоре код не является кодом суммы или кодом разности.

При возникновении переполнения разрядной сетки в дополнительных (знаковых) разрядах сумматора образуются разные цифры (01 или 10), что является признаком переполнения разрядной сетки.

При выполнении посылочной операции "Приём кода в АУ" сумматор переводится в нулевое состояние и далее на него принимается код, поступивший на регистр числа, как при выполнении операции сложения.

При выполнении посылочной операции "Выдача кода из АУ" код результата выдаётся из сумматора в КШЧ через клапаны К4 или K5 с преобразованием из модифицированного обратного кода в прямой код. Код в сумматоре сохраняется.

Устройство управления УЦВМ выполняет две функции:

1) формирует адрес очередной команды, извлекаемой из ЗУ и поступающей в УУ для исполнения;

2) вырабатывает управляющие сигналы, под воздействием которых происходит извлечение команды из ЗУ и исполнение команды, принятой в УУ.

В устройстве управления УЦВМ используется естественный порядок выборки команд. Адрес очередной команды образуется путём прибавления единицы к адресу предыдущей команды. Для нарушения естественного порядка выборки команд используются команды передачи управления: условный и безусловный переходы.

Интервал времени, в течение которого происходит извлечение и выполнение одной команды, называется циклом работы ЦВМ. Цикл работы УЦВМ при выполнении всех команд имеет постоянную длительность и состоит из восьми тактов. Машина с постоянной длительностью цикла называется синхронной ЦВМ.

В состав устройства управления входят:

- регистр команд (РК);

- счетчик команд (СчК);

- дешифратор кода операции (ДКО);

- блок управления операциями (БУО);

- временной распределитель (ВР);

- генератор тактовых импульсов (ГТИ);

- триггер пуска (ТрП);

- триггер регистра команд (ТрРК);

- пять групп клапанов (К1, К2, К3, К4 и К5).

Регистр команд используется для размещения кода команды, исполняемой в данном цикле. Приём кода команды на регистр команд происходит при открытых клапанах К1. Клапаны К1 открыты при единичном состоянии триггера ТрРК.

Код операции с регистра команд поступает на дешифратор кода операции. При этом на одной из восьми выходных шин ДКО формируется единичный сигнал, определяющий порядок работы блока управления операциями для выполнения данной команды.

Импульсы, управляющие работой всех блоков и узлов машины, вырабатывается генератором тактовых импульсов. Импульсы ГТИ через клапан К5 поступают на временной распределитель. Клапан К5 открыт при единичном состоянии триггера пуска. Временной распределитель состоит из счётчика тактов и дешифратора.

Временной распределитель в каждом цикле работы машины формирует серию из восьми тактовых импульсов. Каждый тактовый импульс формируется на определённом выходе временного распределителя. С выходов временного распределителя тактовые импульсы поступают в блок управления операциями.

Блок управления операциями распределяет тактовые импульсы по определённым управляющим шинам машины, что обеспечивает требуемый порядок работы блоков и узлов машины в течение цикла. Характер распределения тактовых импульсов в БУО определяется кодом операции в команде, находящейся на регистре команд. Тактовые импульсы, распределение которых по управляющим шинам не зависит от вида выполняемой команды, поступают в соответствующие управляющие шины непосредственно с выходов временного распределителя.

Счетчик команд в устройстве управления используется для образования и хранения адресов команд. При естественном порядке выборки команд адрес очередной команды образуется путем прибавления единицы к адресу предыдущей команды. При нарушении естественного порядка выборки счетчик команд сбрасывается в нулевое состояние и на него через клапаны K3 заносится адресная часть команды передачи управления, находящейся в регистре команд.

Клапаны К2 используются для передачи адресной части команды с регистра команд на регистр адреса в ЗУ, клапаны К4 - для передачи адреса команды со счётчика команд на регистр адреса в ЗУ.

С устройством управления связан пульт управления, с помощью которого осуществляется пуск машины и занесение на счётчик команд адреса первой команды программы.

Входное устройство УЦВМ предназначено для ввода прямых кодов чисел и кодов команд программы в блок хранения кодов ЗУ. В УЦВМ используется входное устройство простейшего типа, состоящее из двух групп ключей. С помощью одной группы ключей набирается двоичный номер ячейки памяти, в которую должен быть введён код. С помощью другой группы ключей набирается двоичный код, вводимый в ячейку памяти. Ввод набранного кода в заданную ячейку памяти осуществляется при нажатии кнопки «Ввод».

Выходное устройство УЦВМ предназначено для вывода прямого кода числа, являющегося результатом решения задачи, из машины. В УЦВМ используется выходное устройство простейшего типа, состоящее из регистра выхода (РВ) и группы клапанов К, используемых для приёма на регистр выхода кода числа из сумматора АУ. Клапаны К открыты при единичном состоянии триггера регистра выхода (ТрРВ).

3.3 Логические возможности УЦВМ

Логические или, другими словами, вычислительные возможности УЦВМ определяются:

- формами представления числовых данных;

- системой и форматами команд;

- способами адресации данных.

Рассмотрим подробнее эти возможности УЦВМ.

3.3.1 Формы представления чисел

В современных ЦВМ используются, в основном, два способа представления числовых данных - с фиксированной и плавающей запятой (точкой).

В УЦВМ числа представляются в форме с фиксированной запятой, дробными со знаком и в прямом коде.

Знак кодируется двоичной цифрой - обычно плюсу соответствует 0, а минусу- 1. Под код знака отводится старший разряд двоичного кода числа, который называется знаковым.

При выполнении операций с числами в арифметическом устройстве используются модифицированные обратные коды.

Числа поступают в АУ из ЗУ в прямом коде. Разрядная сетка УЦВМ для записи прямого кода числа, модуль которого меньше единицы, изображена на рис. 3.

20	2-1	2-2	2-3	2-4	2-5	2-6
0	1	2	3	4	5	6
Знак числа	Модуль числа

Рис.3- Разрядная сетка УЦВМ для записи кода числа

При представлении дробных чисел с фиксированной запятой со знаковым разрядом диапазон изменения модуля числа изменяется в пределах:

Диапазон изменения модуля чисел в разрядной сетке УЦВМ находиться в пределах:

1/64<IxI<63/64

При записи прямого кода числа в восьмеричной системе счисления используются три восьмеричных разряда.

Первый слева разряд используется в качестве знакового, во втором восьмеричном разряде записывается восьмеричная цифра, соответствующая двоичной триаде с весами 2-1 - 2-3, в третьем восьмеричном разряде записывается восьмеричная цифра, соответствующая двоичной триаде в разрядах с весами 2-4 - 2-6. Знаковый разряд отделяется от числовых разрядов запятой.

Пример:

[Х2]пр = 0,101110; [Х8]пр =0,56;

[Х2]пр= 1,011010; [X8]np =1,32.

3.3.2 Система команд

Разрядная сетка УЦВМ для записи кода команды изображена на рис.4.

0	1	2	3	4	5	6
Код операции	Адресная часть

Рис.4 - Разрядная сетка УЦВМ для записи кода команды



При записи кода команды в восьмеричной системе счисления используются три восьмеричных разряда.

Первый слева восьмеричный разряд используется для записи кода операции, второй восьмеричный разряд - для записи цифры 0 или I, стоящей в 3-м разряде при двоичной записи кода команды, третий восьмеричный разряд - для записи восьмеричной цифры, соответствующей двоичной триаде в 4 - 6 разрядах.

Пример:

К(2) = 101 1011; К(8) = 513;

К(2) = 010 0110; К(8) = 206.

Порядок распределения двоичных разрядов при преобразовании
восьмеричного кода команды в двоичный код отличается
от порядка распределения двоичных разрядов при преобразовании
восьмеричного кода числа в двоичный код. Признаком, отличающим код числа от восьмеричного кода команды, является запятая в коде числа. .

При использовании для записи кода операции трёх двоичных разрядов система команд ЦВМ может иметь в своём составе команды восьми типов.

В УЦВМ используется одноадресная система команд, состоящая из 8 команд и представленная в таблице 1.

В таблице приняты следующие обозначения:

а - адрес;

(а) - код, находящийся по данному адресу;

(С0) - код, находящийся в сумматоре АУ до выполнения данной команды;

(С) - код, образующийся в сумматоре АУ в результате выполнения команды;

(Сч.К0) - код, образующийся в счетчике команд в начале цикла;

(Сч.К) - код, находящийся в счетчике команд в конце цикла;

(РВ) - код, образующийся в регистре выхода выходного устройства.



Таблица 1

№ п/п	Наименование команды	Команда	Условия, при котором щ=1	Содержание команды
		Код операции	Адресная часть
1	Посылка в АУ	1	a	(С)?0	(С)=(а)
2	Сложение	2	a	(С)?0	(С)=(С0)+(а)
3	Вычитание	3	a	(С)?0	(С)=(С0)-(а)
4	Посылка в ЗУ	4	a	(С0)?0	(а)=(С0)
5	Безусловный переход	5	a	(С0) ?0	(Сч.К)=(а)
6	Условный переход	6	a	(С0) ?0	щ=0;(Сч.К)=(Сч.к)+1 щ=1;(Сч.К)=а
7		7	00	(С0) ?0	(РВ)=(С0)
8	Останов	0	00	(С0) ?0	Останов

3.3.3 Способы адресации данных

В УЦВМ используются три типа адресации данных: прямая, относительная с использованием программного счетчика и неявная.

Прямая адресация - в адресном поле команды располагается адрес операнда.

Она используется в командах «Посылка в АУ», «Сложение», « Вычитание», «Посылка в ЗУ» и «Останов».

Адресация относительная с использованием программного счетчика - адрес следующей команды, выбираемой из памяти, формируется не естественным способом, а содержимым счетчика команд, которое определяется программистом. Эта адресация используется в командах «Безусловный переход» и «Условный переход».

Неявная (подразумеваемая) адресация - исполнительный адрес в команде явно не указывается, но код операции автоматически порождает обращение к месту хранения или приему/передачи данных, требуемых для выполнения операции. Эта адресация используется в команде «Посылка в Вых.У».



3.3.4 Программный эмулятор УЦВМ

Таким образом, были рассмотрены архитектурные особенности УЦВМ. Они являются характерными для универсальных ЦВМ и подтверждают возможность использования УЦВМ в качестве модели реальных машин. Знание этих особенностей позволяет глубже уяснить функционирование и возможности использования эмулятора УЦВМ в учебном процессе при проведении практических занятий.



4. Функционирование эмулятора УЦВМ

4.1 Содержание и цель занятий

Эмулятор УЦВМ позволяет проводить следующие практические занятия:

Занятие 1 - Стандартный цикл работы ЦВМ.

Занятие 2 - Циклы в программе.

Занятие 3 - Программы с подпрограммойэ

В результате выполнения практических занятий обучаемый должен:

- закрепить знание основных принципов работы цифровой вычислительной машины с программным управлением;

- уяснить порядок работы УЦВМ при выполнении арифметических и посылочных команд, а также команд передачи управления;

- уяснить порядок работы УЦВМ при выполнении простейших программ, иллюстрирующих основные приёмы техники программирования в системе команд УЦВМ.

4.2 Порядок работы УЦВМ

Перед началом решения задачи на машине коды команд программы и коды чисел, являющихся исходными данными, вводятся в запоминающее устройство. В процессе решения задачи команды программы в заданном порядке передаются из ЗУ в устройство управления. В УУ вырабатываются управляющие сигналы, обеспечивающие исполнение каждой команды (Рис.2).

Цикл работы УЦВМ состоит ив двух частей. В первой части цикла очередная команда считывается из ЗУ и принимается на регистр команд в УУ. Во второй части цикла происходит выполнение команды, принятой на регистр команд. Адрес команды, которая извлекается из ЗУ в каждом очередном цикле, формируется на счетчике команд в УУ в предыдущем цикле.

Порядок работы УЦВМ в течение цикла состоит в следующем:

- адрес команды из счетчика команд через клапаны К4 в УУ передается на регистр адреса в ЗУ;

- в ЗУ по заданному адресу происходит считывание кода команды, и код команды через клапаны K1 в УУ принимается на регистр команд;

- к содержимому счётчика команд прибавляется единица и образуется адрес очередной команды.

Дальнейший порядок работы машины зависит от типа команды, принятой на регистр команд.

Если принятая команда является командой арифметической операции или командой " Посылка в АУ", происходит следующее:

- адресная часть команды с регистра команд через клапаны K2 передаётся на регистр адреса в ЗУ;

- в ЗУ по заданному адресу происходит считывание кода числа, и код числа через клапаны K1 в АУ принимается на регистр числа;

- в АУ выполняется операция, результат выполнения операции остаётся в сумматоре.

Если на регистр команд принята команда " Посылка в ЗУ", происходит следующее:

- адресная часть команды с регистра команд через клапаны K2 передаётся на регистр адреса в ЗУ;

- открываются клапаны К4 или К5 в АУ и код результата из сумматора АУ поступает в ЗУ и записывается в ячейку памяти по заданному адресу.

Если принятая на регистр команд команда есть "Безусловный переход" или "Условный переход" при щ = 1, происходит следующее:

- счетчик команд сбрасывается в нулевое состояние;

- адресная часть команды с регистра команд через клапаны К3 передаётся на счетчик команд.

Если на регистр команд принята команда «Условный переход» при щ = 0, то два последних действия не выполняются. На счётчике команд сохраняется увеличенный на единицу адрес команды.

При выполнении команд передачи управления ЗУ и АУ бездействуют.

Описание порядка работы машины в течение цикла удобно составлять в форме таблицы, в которой указывается состояние всех элементов и узлов машины (кроме ячеек памяти ЗУ) в исходном положении и после воздействия каждого тактового импульса (1 - 8).

4.3 Управление работой и индикация в эмуляторе УЦВМ

При работе с эмулятором УЦВМ на монитор ПЭВМ выводится структурная схема УЦВМ. Работа обучающегося при выполнении практического занятия заключается в выполнении действий в соответствии с инструкцией руководства к занятию по вводу исходной информации в память УЦВМ (кодов программ и чисел), установке в начальное состояние счетчика команд, выбору режима работы эмулятора («Такт», «Цикл», «Автомат») и нажатии кнопки «Пуск».

После начала работы эмулятора необходимо следить за индикацией состояния элементов, узлов и устройств структуры УЦВМ. Все элементы и узлы на структурных схемах содержат индикаторные лампочки.

В случае необходимости принудительной остановки работы эмулятора необходимо нажать кнопку «Стоп».

Все необходимые органы управления работой эмулятора УЦВМ расположены внизу структурной схемы УЦВМ на горизонтальных панелях.

На левой горизонтальной панели находиться пульт управления УЦВМ, на котором расположены:

- кнопка "Пуск" для пуска вычислительной машины;

- кнопка "Стоп" для останова машины;

- кнопка "Исходное положение" для перевода элементов и узлов машины в исходное положение;

- переключатель режима работы УУ " Такт - Цикл - Автомат";

- четыреключатель для набора адреса, заносимого на счётчик команд;

- кнопка "Ввод" для занесения набранного кода в СчК;

- кнопка " Сброс" для перевода счётчика команд в нулевое состояние.

Предупреждение. После ввода адреса в счётчик команд ключи для набора адреса должны быть переведены в нулевое положение.

При нахождении переключателя режима работы в положения "Такт" временной распределитель в УУ формирует один тактовый импульс серии И1 - И8 при каждом нажатии кнопки "Пуск".

При нахождении переключателя режима работы в положении "Цикл" временной распределитель в УУ при нажатии кнопки "Пуск" формирует один раз серию из восьми тактовых импульсов И1 - И8.

При нахождении переключателя режима работы в положении "Автомат" после нажатия кнопки "Пуск" временной распределитель многократно формирует серии тактовых импульсов.

На средней горизонтальной панели расположено входное устройство УЦВМ, которое включает в себя:

- четыре ключа для набора номера ячейки памяти, в которую будет вводиться код;

- кнопку "Ввод" для ввода набранного номера в регистр адреса ЗУ;

- кнопку "Сброс" для перевода регистра адреса ЗУ в нулевое состояние;

- кнопку "Матрица - Сброс" для перевода в нулевое состояние всех ячеек памяти ЗУ;

- семь ключей для набора кода числа или кода команды, вводимого в ЗУ;

- кнопку "Ввод" для ввода набранного кода в ячейку памяти, номер которой записан на регистре адреса;

- кнопку "Сброс" для перевода ячейки памяти, номер которой записан на регистре адреса в нулевое состояние. Для ввода кода в ЗУ необходимо:

- нажать кнопку "Сброс" регистра адреса;

- набрать на ключах номер ячейки памяти, в которую должен быть введён код;

- нажать кнопку "Ввод" в регистр адреса;

- нажать кнопку "Сброс" для перевода в нулевое состояние ячейки памяти, номер которой находится на регистре адреса;

- набрать на ключах код для ввода в ЗУ;

- нажать кнопку "Ввод" для ввода кода в ячейку памяти.

Предупреждение. После завершения ввода команд программы и исходных данных в ЗУ все ключи входного устройства должны быть переведены в нулевое состояние.

4.4 Порядок выполнения практического занятия с использованием эмулятора УЦВМ

учебный цифровой вычислительный машина

1. Составить в условных адресах программу решения на УЦВМ задачи в соответствии с индивидуальным заданием.

2. Составить таблицу кодов команд, вводимых в ЗУ перед началом решения задачи ( в восьмеричной системе), и таблицу адресов команд ( в восьмеричной и двоичной системах), которые будут образовываться в счетчике команд в конце каждого цикла в процессе выполнения заданной программы.

3. Ввести в ЗУ УЦВМ команды программы, входные данные и константы. Правильность ввода кодов в соответствующие ячейки памяти контролировать по загоранию индикаторных лампочек в блоке хранения кодов ЗУ.

4. Ввести в счётчик команд адрес первой команды программы. Установить переключатель режима работы в положение "Цикл". Нажать кнопку "Пуск" и пронаблюдать за состоянием элементов и узлов машины после выполнения каждой очередной команды. Сравнить коды на счетчике команд с кодами в таблице адресов команд.

При реализации разветвляющейся программы обратить особое внимание на выполнение команды "Условный переход" в зависимости от значения сигнала щ и на выполнение команды "Безусловный переход".

При реализации циклической программы с переадресацией обратить особое внимание на процедуру переадресации команды в каждом цикле программы и на выполнение команды "Условный переход" в конце каждого цикла программы. Записать коды изменяемой команды после выполнения каждого цикла программы.

4.5 Содержание отчета практического занятия

В отчете к лабораторной работе необходимо представить:

- блок-схему программы, распределение памяти и программу для решения задачи в условных адресах;

- таблицу кодов, вводимых в ЗУ перед началом решения задачи в восьмеричной системе, и таблицу адресов команд по пункту 2;

- результаты наблюдений по пункту 4;

- таблицу состояний элементов УЦВМ, таких как: триггер регистра команд (ТрРК), регистр команд (РК), счётчик команд (СчК), регистр адреса (РА), триггер регистра числа (Тр.РЧ), регистр числа (РЧ), сумматор (СМ), триггер восстановления (Тр.В), регистр выхода (РВ) для одного цикла.



Заключение

В процессе выполнения научной работы на тему «Эмулятор учебной ЦВМ» были проведены следующие исследования и перечень работ.

1. Проведен анализ технических средств и компьютерных технологий, используемых при обучении вычислительной технике, и сделан вывод о возможности их использования в учебном процессе для повышения его эффективности.

2. Проведен анализ возможностей и достоинств использования учебной цифровой вычислительной машины (УЦВМ) для проведения практических занятий по изучению ЦВМ с программным управлением и закреплению практических навыков работы на этих машинах.

3. Обоснована необходимость использования эмулятора учебной ЦВМ в учебном процессе и приведены технические требования для его разработки.

4. Проведен анализ архитектуры учебной ЦВМ, используемой в качестве основы при создании программного эмулятора УЦВМ.

5. Рассмотрен порядок функционирования эмулятора УЦВМ при выполнении программ решаемых задач и проанализированы особенности взаимодействия элементов, узлов и устройств УЦВМ в цикле работы машины.

6. Рассмотрена система индикации и управления работой эмулятора с детальным описанием назначения и порядком использования органов управления при подготовке к работе, пуске и остановке работы эмулятора.

7. Рассмотрены виды и общая цель практических занятий с использованием эмулятора УЦВМ.

8. Разработаны общий порядок выполнения практического занятия с использованием эмулятора УЦВМ и содержание отчета о проделанной работе.

Размещено на Allbest.ru

...