Разработка 8-разрядного микропроцессора на схемной логике: от принципов до верификации

В мире, где преобладают многоядерные 64-разрядные процессоры с миллиардами транзисторов, может показаться удивительным, что **8-разрядные микроконтроллеры до сих пор занимают около 40% рынка микроэлектронных устройств для встраиваемых систем.** Более того, в 2015 году объемы их продаж в долларовом выражении были примерно равны продажам 32-битных устройств, составляя внушительные $6 млрд. Этот феномен объясняется их неоспоримой экономической эффективностью, низким энергопотреблением и способностью блестяще справляться с задачами в условиях ограниченных ресурсов, что делает их незаменимыми для тысяч повседневных устройств.

Данная курсовая работа посвящена фундаментальным принципам и практическим шагам по разработке 8-разрядного микропроцессора (МП) с использованием схемной логики. Мы погрузимся в мир цифровой архитектуры, чтобы не просто понять, «как это работает», но и научиться конструировать центральный элемент любой вычислительной системы. От синтеза операционного и управляющего устройств до реализации базовой, но критически важной операции умножения — каждый этап будет рассмотрен с инженерной точностью и академической глубиной, что позволит читателю получить комплексное представление о предмете.

Микропроцессор — это сердце любой вычислительной системы, программно-управляемое устройство, ответственное за обработку цифровой информации и координацию всего процесса. Его основные характеристики, такие как разрядность (шины данных, шины адреса, внутренних регистров), определяют границы его возможностей и сферу применения. В нашем случае, выбор 8-разрядной архитектуры обусловлен не только образовательной целью глубокого понимания базовых принципов, но и реальной востребованностью таких систем в современном мире.

Актуальность 8-разрядных микроконтроллеров в современных встроенных системах выходит далеко за рамки ностальгии. Они являются краеугольным камнем множества устройств, где критически важны **рентабельность и энергоэффективность**. Представьте себе миллионы устройств, которые нас окружают:

• Бытовая техника: Кондиционеры, холодильники, стиральные машины, микроволновые печи — в каждом из них часто работают недорогие и надежные 8-разрядные контроллеры.
• Промышленные датчики и контроллеры: В условиях высоких электромагнитных помех на промышленных предприятиях и в автомобильных электронных системах (контроллеры положения, системы рулевого управления с усилителем, антиблокировочные системы тормозов) их устойчивость и широкий диапазон напряжения (от 1.8 до 5.5 В) делают их незаменимыми.
• Медицинская и контрольно-измерительная аппаратура: Простота, надежность и низкое потребление энергии позволяют им интегрироваться в сложные системы, где другие решения были бы избыточными или слишком дорогими.
• Вспомогательные контроллеры: Даже в сложных системах, таких как умные колонки или игровые консоли, 8-разрядные МК могут управлять клавиатурой, индикаторами или другими периферийными устройствами, снимая нагрузку с основного процессора.

Цель данной работы — не просто спроектировать микропроцессор, но и дать студенту полное понимание всех этапов его создания: от концепции до практической реализации и верификации. Задачи включают: детальный синтез операционного и управляющего устройств на жесткой схемной логике, проработку алгоритма умножения в прямом коде, а также освоение методологий и инструментов для проверки работоспособности полученного проекта. Это позволит получить не только теоретические знания, но и практические навыки, необходимые для будущих инженерных свершений в области цифровой схемотехники и архитектуры ЭВМ, формируя прочный фундамент для дальнейшего профессионального роста.

Основные принципы и этапы разработки микропроцессора на жесткой логике

В основе функционирования большинства вычислительных систем лежит микропроцессор — сложное электронное устройство, способное выполнять арифметические и логические операции, а также управлять последовательностью их выполнения. Однако подходы к построению этих «мозгов» могут существенно различаться. Одним из таких подходов, особенно актуальным для понимания базовых принципов, является использование **жесткой схемной логики**, что позволяет глубоко погрузиться в фундаментальные аспекты работы вычислительной техники.

Микропроцессор с аппаратным принципом управления (жесткая логика): определение и особенности

Микропроцессор с аппаратным принципом управления, или, как его еще называют, с **жесткой логикой**, представляет собой устройство, где последовательность выполнения операций и набор команд заданы аппаратно, то есть «зашиты» непосредственно в структуру логических схем. В отличие от микропрограммных или программируемых решений, где управление осуществляется посредством микрокода или программ, здесь каждый шаг алгоритма реализуется с помощью комбинационных логических схем, триггеров, счетчиков и регистров. Блок дешифрации команд в таком процессоре функционирует по строго определенной аппаратной логике, не допускающей изменений без физической переработки схемы. Это обеспечивает максимальную скорость и детерминированность работы, но накладывает ограничения на гибкость.

Ключевые особенности жесткой логики включают:

• Фиксированная разрядность: Шины адреса и данных, а также внутренние регистры имеют заранее определенную разрядность, которая не может быть изменена программно.
• Неизменяемая система команд: Набор операций, которые может выполнять процессор, жестко определен его архитектурой и не подлежит модификации без перепроектирования аппаратной части.
• Высокая степень интеграции: Хотя мы говорим о жесткой логике, современные микропроцессоры, даже 8-разрядные, представляют собой высокоинтегрированные схемы, содержащие множество электронных элементов на одном кристалле.

Разрядность микропроцессора (m/n/k) и почему выбран 8-разрядный

Разрядность микропроцессора — это его фундаментальная характеристика, которая часто обозначается как `m/n/k`:

• m – **разрядность внутренних регистров:** Определяет размер данных, с которыми процессор может оперировать за один такт.
• n – **разрядность шины данных:** Определяет, сколько бит данных может быть передано между МП и памятью/периферией за один раз.
• k – **разрядность шины адреса:** Определяет максимальный объем адресуемой памяти (2^k ячеек).

Выбор 8-разрядного микропроцессора для данной работы неслучаен. Исторически, 8-разрядные архитектуры, такие как Intel 8080 или Zilog Z80, стали основой для первых персональных компьютеров и до сих пор остаются чрезвычайно актуальными в сфере встраиваемых систем. Их популярность объясняется:

• Простотой архитектуры: Позволяет глубоко понять принципы работы МП без избыточной сложности, характерной для многоразрядных систем.
• Экономической эффективностью: Меньшее количество транзисторов, более простые производственные процессы.
• Энергоэффективностью: Низкое потребление энергии, что критично для автономных устройств.
• Широким спектром применений: От бытовой электроники до автомобильных систем, где 8-разрядные микроконтроллеры продолжают доминировать из-за своей надежности и стоимости.

Достоинства и недостатки схем на жесткой логике

Как и любая инженерная концепция, жесткая логика имеет свои преимущества и недостатки:

Достоинства:

• Высокое быстродействие: Поскольку все операции закодированы аппаратно, нет накладных расходов на выборку и дешифрацию микрокоманд, что обеспечивает максимальную скорость выполнения.
• Предсказуемость: Поведение системы строго детерминировано и легко анализируется.
• Надежность: Меньше вероятность программных ошибок, поскольку отсутствует программный слой управления.

Недостатки:

• Сложность при возрастании алгоритмов: При реализации сложных алгоритмов схемы на жесткой логике очень быстро становятся громоздкими и трудноуправляемыми. Каждое изменение в логике требует перепроектирования и пересборки аппаратной части.
• Низкая гибкость: Практически невозможно изменить или расширить функциональность без модификации физической схемы.
• Длительный цикл разработки для сложных систем: Переработка аппаратной части занимает значительно больше времени, чем изменение программного кода.

Полный цикл разработки микросхем: сроки и основные этапы

Разработка микропроцессора, даже 8-разрядного, это сложный многоэтапный процесс. В зависимости от сложности, полный цикл может занимать от полугода для относительно простых контроллеров до двух-трех лет для современных систем на кристалле (SoC) и сложных микропроцессоров.

Основные этапы разработки включают:

1. Формализация требований (Техническое задание): На этом этапе определяются функциональные возможности, производительность, интерфейсы, ограничения по стоимости и энергопотреблению. Это критически важный этап, определяющий все последующие шаги.
2. Разработка структуры и архитектуры системы: Определяется общее строение микропроцессора, взаимодействие его основных блоков (АЛУ, регистры, управляющее устройство, память, интерфейсы). На этом этапе принимаются решения о разрядности, системе команд и способах их реализации.
3. Распределение функций между аппаратными и программными средствами: Для систем с жесткой логикой большая часть функций реализуется аппаратно, но даже здесь может быть программный интерфейс для взаимодействия с внешними устройствами или для загрузки начальных данных.
4. Выбор элементной базы: Определение конкретных логических элементов (вентили, триггеры, мультиплексоры, дешифраторы), которые будут использоваться для построения схемы.
5. Разработка и изготовление аппаратных средств:
   • Логическое проектирование: Создание принципиальных схем, разработка логической структуры, синтез операционного и управляющего устройств.
   • Физическое проектирование: Размещение элементов на кристалле, трассировка соединений (для реальных микросхем), или разводка печатных плат (для учебных прототипов).
   • Прототипирование: Создание рабочих образцов, часто на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС/FPGA).
   • Изготовление: Передача проекта на фабрику для производства (для серийных изделий).
6. Разработка программного обеспечения (для тестирования и верификации): Даже для процессоров с жесткой логикой требуется программное обеспечение для генерации тестовых векторов, отладки и верификации функциональности.

Проектирование логической структуры требует глубокого анализа номенклатуры необходимых блоков, способов их соединения и выбора наиболее оптимальных вариантов, учитывая компромиссы между быстродействием, сложностью и стоимостью. Это процесс, где каждое решение влияет на конечный результат.

Синтез операционного устройства 8-разрядного микропроцессора

Операционное устройство (ОУ) — это «мускулы» микропроцессора, отвечающие за непосредственное выполнение арифметических и логических операций над данными. В контексте конечного автомата, ОУ является операционным автоматом (ОА), который принимает входные данные, выполняет над ними заданные действия и выдает результат. Его эффективная работа напрямую зависит от продуманной архитектуры и выбора функциональных блоков.

Роль операционного автомата в составе конечного автомата

Представьте себе микропроцессор как оркестр. Управляющее устройство (УУ) — это дирижер, который задает темп и последовательность, а операционное устройство (ОУ) — это музыканты, которые непосредственно извлекают звуки (выполняют операции). Взаимодействие этих двух частей определяет общую функциональность и производительность системы. ОА выполняет ряд действий над входными данными и выдает результат, следуя указаниям УУ. Таким образом, он является исполнительной частью, без которой никакие вычисления невозможны. А это значит, что продуманная архитектура ОА критически важна для общей эффективности МП.

Функциональный состав операционного блока

Операционный блок микропроцессора спроектирован для выполнения функционально полного набора логических и арифметических операций. Для 8-разрядного МП, как правило, в его состав входят следующие ключевые элементы:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

АЛУ — это сердце операционного устройства, способное выполнять арифметические (сложение, вычитание) и поразрядные логические (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) операции. Его основой являются:

• Двоичный сумматор: Это ключевой элемент, который позволяет выполнять операцию сложения, а через нее — и вычитание (посредством сложения с дополнительным кодом).
• Набор логических схем: Для реализации побитовых логических операций используются комбинации вентилей И, ИЛИ, НЕ.

Например, в таких классических 8-разрядных АЛУ, как в Intel 8080, помимо базовых операций сложения/вычитания (с учетом переноса/займа) и логического сложения/умножения, предусматривались также исключающее ИЛИ, сравнение и четыре вида циклических сдвигов. Это демонстрирует универсальность АЛУ даже в относительно простых 8-разрядных архитектурах, что позволяет решать широкий круг задач.

Блок регистров общего назначения

Регистры процессора — это ячейки очень быстрой памяти, расположенные непосредственно внутри микропроцессора. Они служат для временного хранения различных кодов: операндов, результатов промежуточных вычислений, адресов, служебных данных. Их высокая скорость доступа критически важна для производительности МП.

В 8-разрядном процессоре регистры могут быть организованы двумя основными способами:

• Отдельные 8-разрядные регистры: Каждый регистр хранит одно 8-разрядное значение.
• 16-разрядные регистровые пары: Для работы с 16-разрядными адресами или данными два 8-разрядных регистра могут быть объединены в пару, что значительно расширяет возможности адресации и обработки данных, повышая гибкость системы.

Организация путей передачи данных: шины данных, адреса и управления

Эффективность работы микропроцессора во многом определяется тем, насколько грамотно организована передача информации между его компонентами и с внешними устройствами. Для этого используются специализированные каналы, называемые шинами:

• Шина данных (ШД): Позволяет передавать данные между микропроцессором, памятью и устройствами ввода-вывода. Для 8-разрядного МП, ширина ШД обычно составляет 8 бит.
• Адресная шина (ША): Служит для выбора конкретной ячейки памяти или порта устройства ввода-вывода. Ее разрядность (k в m/n/k) определяет максимальный объем адресуемого адресного пространства. Для 8-разрядного МП часто используется 16-разрядная ША, что позволяет адресовать до 65 536 (2¹⁶) ячеек памяти.
• Шина управления (ШУ): Координирует работу всех устройств системы, передавая сигналы чтения/записи, синхронизации, прерываний и другие управляющие сигналы.

Передача данных по этим шинам может осуществляться различными способами:

1. Программно-управляемая передача, инициируемая микропроцессором: МП сам формирует адрес и управляющие сигналы для чтения/записи данных.
2. Программно-управляемая передача, инициируемая запросом прерывания: Периферийное устройство посылает запрос прерывания, и МП временно прерывает свою текущую работу для обслуживания этого запроса.
3. Прямой доступ к памяти (ПДП): Позволяет периферийным устройствам напрямую обмениваться данными с памятью, минуя МП, что существенно ускоряет передачу больших объемов данных в критических приложениях.

Принципы проектирования и комбинирования компонентов

Проектирование операционного устройства, как и всего процессора, — это процесс комбинирования отдельных компонентов для создания работающей структуры. Для 8-разрядного МП на жесткой логике это означает тщательный выбор и соединение логических вентилей, триггеров, мультиплексоров, дешифраторов для формирования АЛУ, регистров и шинных интерфейсов. Каждый элемент должен быть выбран с учетом его характеристик: быстродействия, энергопотребления и сложности. Современные CAD-системы (Computer-Aided Design) значительно упрощают этот процесс, позволяя моделировать и верифицировать поведение схемы до ее физической реализации, что сокращает время и стоимость разработки.

Транзисторный бюджет ранних 8-разрядных МП в сравнении с современными

Чтобы лучше понять инженерный масштаб задачи, полезно взглянуть на «транзисторный бюджет» микропроцессоров. Ранние 8-разрядные микропроцессоры, разработанные на жесткой логике, были относительно простыми с точки зрения количества транзисторов:

• Intel 4004 (1971 год): Около 2300 транзисторов.
• Intel 8080 (1974 год): Около 6000 транзисторов.

Эти цифры кажутся микроскопическими по сравнению с современными процессорами, где количество транзисторов достигает десятков миллиардов (например, Apple M1 Max имеет 57 миллиардов транзисторов). Такое сравнение подчеркивает эволюцию технологий, но также демонстрирует, что даже с ограниченным транзисторным бюджетом можно создать полнофункциональный процессор, способный выполнять широкий спектр задач, что и является целью нашей курсовой работы. Понимание базовых принципов на примере 8-разрядного МП позволяет заложить прочный фундамент для освоения более сложных архитектур.

Методология синтеза управляющего устройства в формате автомата Мура

Управляющее устройство (УУ) — это «мозг» микропроцессора, который организует и координирует работу всех его компонентов, в первую очередь операционного автомата (ОА). Если ОА выполняет действия, то УУ диктует, какие действия, в какой последовательности и при каких условиях должны быть выполнены. В системах на жесткой логике УУ часто реализуется как конечный автомат, и одним из наиболее распространенных и понятных подходов является синтез в формате **автомата Мура**, что обеспечивает четкое разделение логики состояния и логики выходов.

Назначение управляющего устройства (УУ) и его роль в координации ОА

Основная функция УУ заключается в генерации последовательности управляющих сигналов (микрокоманд), которые активируют определенные микрооперации в ОА. Оно получает входные сигналы (условия), отражающие состояние операционного устройства или внешних устройств, и, исходя из текущего состояния и входных сигналов, определяет следующее состояние и формирует выходные управляющие сигналы. Таким образом, УУ задает «ритм» и «танец» работы микропроцессора, обеспечивая выполнение команд центральным процессором в строгом соответствии с алгоритмом. В управляющих автоматах на элементах с жесткой логикой для хранения информации о текущем состоянии используется набор триггеров, которые представляют собой элементарные запоминающие ячейки.

Исходные данные для синтеза: граф-схема алгоритма (ГСА)

Для синтеза управляющего автомата требуется формализованное описание алгоритма управления. Наиболее удобным и наглядным инструментом для этого является **граф-схема алгоритма (ГСА)**. ГСА представляет собой ориентированный граф, где вершины обозначают действия (микрооперации) или условия проверки, а дуги — переходы между этими состояниями или действиями. ГСА служит исходной точкой для преобразования высокоуровневого описания алгоритма в низкоуровневую логическую схему, что позволяет систематизировать процесс проектирования.

Пошаговая методика синтеза автомата Мура

Методика синтеза автомата Мура — это последовательность четких шагов, позволяющих перейти от абстрактного алгоритма к конкретной аппаратной реализации.

1. Отметка состояний и построение диаграмм переходов-выходов

Первым шагом является определение всех возможных состояний автомата на основе ГСА. Каждое уникальное состояние алгоритма (например, ожидание команды, выполнение сложения, сдвиг) будет соответствовать одному состоянию автомата Мура. Для каждого состояния определяются возможные переходы в другие состояния в зависимости от входных условий и генерируемые выходные сигналы (микрооперации). На этом этапе удобно строить **диаграммы переходов-выходов**, где узлы — это состояния, а дуги — переходы, помеченные входными условиями, а также указываются выходные сигналы, генерируемые в каждом состоянии. Это обеспечивает наглядное представление поведения системы.

2. Выбор типа запоминающих и логических элементов (триггеры)

Для хранения информации о текущем состоянии автомата необходимы элементы памяти. Наиболее распространенным выбором являются **триггеры** (например, D-триггеры, JK-триггеры). Для 8-разрядного микропроцессора на жесткой логике это будут стандартные логические элементы из библиотек цифровой схемотехники. Выбор конкретного типа триггеров зависит от требований к быстродействию, сложности схемы и доступной элементной базы. Например, D-триггеры часто выбирают за их простоту и предсказуемость, что упрощает синхронизацию.

3. Кодирование состояний автомата

Это один из важнейших этапов, который напрямую влияет на сложность и экономичность результирующей схемы. Кодирование состояний заключается в присвоении каждому уникальному состоянию автомата уникального двоичного кода.

• Определение минимального количества триггеров (L): Минимально необходимое количество элементарных автоматов памяти (триггеров) L определяется по формуле:
  L = ⌈log2|S|⌉
  где |S| – мощность множества состояний (общее количество уникальных состояний автомата).
  Например, если автомат имеет 5 уникальных состояний (|S| = 5), то L = ⌈log25⌉ = ⌈2.32⌉ = 3. Это означает, что для кодирования 5 состояний потребуется минимум 3 триггера.
• Влияние выбора кодирования на экономичность схемы: Различные варианты кодирования (например, последовательное, код Грея, унитарный код) приводят к разным по сложности комбинационным схемам. Оптимальное кодирование может значительно сократить количество логических вентилей, используемых в схеме, что снижает затраты и повышает надежность.

4. Синтез комбинационной схемы

Этот этап является кульминацией процесса, где абстрактные переходы и выходы превращаются в конкретные булевы функции. Синтез комбинационной схемы включает:

• Формирование функций возбуждения триггеров и выходных функций Y: Для каждого триггера, хранящего биты состояния, необходимо определить функцию его возбуждения, которая на основе текущего состояния и входных сигналов определяет его следующее состояние. Аналогично, для каждого выходного сигнала (микрооперации) формируется булева функция, зависящая от текущего состояния автомата. В автоматах Мура выходы зависят только от текущего состояния.
• Канонический метод структурного синтеза В. М. Глушкова: Этот метод позволяет свести задачу построения автомата с памятью (последовательностной схемы) к задаче синтеза комбинационных схем. Он заключается в построении системы булевых функций, выражающих зависимость выходных сигналов и сигналов возбуждения (D-входов D-триггеров) от входных сигналов и текущих состояний автомата.
  
  Для автомата Мура, если Q = (q₁, q₂, …, q_L) — вектор текущего состояния, X = (x₁, x₂, …, x_M) — вектор входных сигналов, D = (D₁, D₂, …, D_L) — вектор сигналов возбуждения триггеров, и Y = (y₁, y₂, …, y_N) — вектор выходных сигналов, то мы ищем функции:
  
  Di = fi(Q, X) для i = 1, ..., L

Yj = gj(Q) для j = 1, ..., N
• Минимизация булевых функций: Полученные булевы функции могут быть сложными. Для упрощения аппаратной реализации (уменьшения количества логических вентилей) их необходимо минимизировать. Одним из наиболее эффективных и наглядных методов является **метод карт Карно**. Для функций с большим числом переменных могут применяться более формализованные алгоритмы, например, метод Куайна-Мак-Класки. Минимизация позволяет создать наиболее компактную и быстродействующую схему, что является ключевым для оптимизации аппаратных ресурсов.

Таким образом, методология синтеза управляющего устройства в формате автомата Мура представляет собой строгий, но гибкий подход, позволяющий инженеру перевести высокоуровневое описание поведения микропроцессора в конкретную, эффективно реализованную аппаратную логику.

Реализация операции умножения чисел в прямом коде со сдвигом суммы частичных произведений вправо

Операция умножения, несмотря на свою кажущуюся простоту в повседневной математике, на аппаратном уровне представляет собой последовательность более элементарных действий. В цифровых вычислительных системах умножение чисел чаще всего реализуется через серию сложений и сдвигов. Для 8-разрядного микропроцессора, разработанного на схемной логике, крайне важно детально проработать алгоритм и соответствующие ему микрооперации, чтобы обеспечить корректность и эффективность вычислений.

Общие принципы умножения чисел в ЭВМ

В основе двоичного умножения лежит тот же принцип, что и в десятичной системе: каждое частичное произведение формируется путем умножения множимого на разряд множителя, а затем частичные произведения складываются со сдвигом. Однако в двоичной системе умножение на разряд намного проще: если разряд множителя равен ‘1’, множимое просто добавляется (с соответствующим сдвигом); если ‘0’ — добавляется ноль. Это упрощение позволяет значительно сократить аппаратные затраты по сравнению с десятичными аналогами.

Умножение в прямом коде: определение знака произведения, работа с модулями сомножителей

Для чисел, представленных в прямом коде, умножение разделяется на две независимые части:

1. Определение знака произведения: Знак произведения определяется путем сложения по модулю 2 знаковых разрядов сомножителей (операция исключающего ИЛИ, XOR). Если знаки одинаковые (оба ‘0’ или оба ‘1’), результат положительный (‘0’). Если знаки разные (‘0’ и ‘1’), результат отрицательный (‘1’).
   
   Знак_Произведения = Знак_Множимого ⊕ Знак_Множителя
2. Работа с модулями сомножителей: Сама операция умножения выполняется с абсолютными значениями (модулями) сомножителей, без учета их знаковых разрядов. Полученный модуль произведения затем дополняется определенным ранее знаковым разрядом.

Детальный алгоритм умножения со сдвигом суммы частичных произведений вправо

Рассмотрим алгоритм умножения чисел в прямом коде, начиная с младших разрядов множителя, со сдвигом суммы частичных произведений вправо. Этот подход удобен, поскольку позволяет естественным образом накапливать произведение в регистре удвоенной длины.

Пусть у нас есть два 8-разрядных числа A (множимое) и B (множитель), представленные в прямом коде. Результат C (произведение) будет 16-разрядным.

Последовательность действий:

1. Инициализация:
   • Регистр для множимого РгА загружается модулем множимого.
   • Регистр для множителя РгВ загружается модулем множителя.
   • Регистр для суммы частичных произведений РгС (аккумулятор двойной длины) инициализируется нулями.
   • Счетчик циклов Cnt инициализируется нулем (или максимальным значением для обратного отсчета).
2. Цикл умножения (повторяется 8 раз для 8-разрядного множителя):
   • Анализ младшей цифры множителя: Проверяется младший разряд регистра РгВ (например, РгВ[7], если нумерация от 0 до 7, где 7 — младший).
     • Если младший разряд РгВ равен ‘1’: Множимое (РгА) прибавляется к старшей части регистра РгС. То есть, РгС := РгС + РгА.
     • Если младший разряд РгВ равен ‘0’: К РгС добавляется ‘0’ (или ничего не добавляется), что эквивалентно пропуску сложения.
   • Сдвиг: После сложения (или его пропуска) содержимое регистра РгС (сумма частичных произведений) и регистра РгВ (множитель) сдвигается **вправо на 1 разряд**. При этом младший бит РгС перемещается в старший бит РгВ (если РгВ используется для хранения младшей части произведения). В старший бит РгС записывается ‘0’. Это позволяет «освободить» место для следующего частичного произведения и одновременно переместить следующий разряд множителя в позицию для анализа.
   • Инкремент счетчика: Счетчик циклов Cnt увеличивается на 1.
3. Завершение: Цикл повторяется до тех пор, пока не будут обработаны все разряды множителя (например, пока Cnt не достигнет 8). После завершения циклов, регистр РгС (вместе с РгВ, если он использовался для младших разрядов произведения) содержит модуль произведения.
4. Формирование итогового произведения: К полученному модулю произведения прибавляется знаковый разряд, определенный на первом шаге.

Необходимость регистра-аккумулятора двойной длины

Крайне важно использовать регистр-аккумулятор РгС (или пару регистров) **двойной длины** (16 бит для 8-разрядного умножения). Это необходимо для того, чтобы полностью сохранить все разряды произведения. Умножение двух N-разрядных чисел может дать результат длиной до 2N разрядов. Если бы аккумулятор был одноразрядным, младшие биты частичных произведений были бы потеряны при каждом сдвиге, что привело бы к неверному результату. Именно поэтому двойная длина гарантирует точность вычислений.

Микрооперации, необходимые для реализации умножения

Для реализации описанного алгоритма на аппаратном уровне потребуются следующие микрооперации:

• Инициализация регистров:
  • РгА := DI (загрузка множимого из входных данных DI в регистр множимого РгА)
  • РгС := 0 (обнуление регистра суммы частичных произведений РгС)
  • РгB := DI_множитель (загрузка множителя из входных данных DI_множитель в регистр множителя РгB)
  • Cnt := 0 (обнуление счетчика циклов Cnt)
• Сложение:
  • РгС := РгС + РгА (сложение содержимого РгА со старшей частью РгС). Если РгС 16-разрядный, а РгА 8-разрядный, это подразумевает сложение РгА со старшими 8 битами РгС с возможным переносом в 9-й бит.
• Инкремент счетчика:
  • Cnt := Cnt + 1 (увеличение значения счетчика циклов).
• Сдвиги:
  • РгС := R1(0.РгС) (логический сдвиг вправо содержимого РгС, где R1 означает сдвиг вправо на 1 позицию, 0 записывается в старший бит).
  • РгB := R1(РгС[7].РгB) (сдвиг содержимого РгB вправо, при этом бит РгС[7] (младший бит РгС) переходит в старший бит РгB). Это позволяет эффективно использовать пару РгС и РгВ как 16-разрядный регистр для накопления произведения.
• Формирование выходного сигнала:
  • DO := РгС (выдача результата, например, старших 8 бит произведения, на выходные данные DO).
  • Ready := 1 (установка флага готовности результата).

Список логических условий (x_i) для управления алгоритмом

Для управления последовательностью микроопераций необходим набор логических условий:

• x1 = РгА = 0 (проверка на равенство множимого нулю).
• x2 = РгB = 0 (проверка на равенство множителя нулю).
• x3 = РгB[7] (проверка младшего разряда множителя (бит 7, если разряды нумеруются 0-7, где 7 — младший) — это условие определяет, нужно ли складывать множимое).
• x4 = Cnt = 7 (проверка счетчика циклов на завершение 8-разрядного умножения; если счетчик считает от 0 до 7, то 7 означает последний цикл).
• x5 = РгВ[0] ⊕ РгА[0] (XOR знаковых разрядов множителя и множимого для определения знака результата).

Логический сдвиг вправо: принцип действия и применение

Логический сдвиг вправо применяется при операциях над беззнаковыми целыми числами. Его принцип действия прост:

• Все биты числа сдвигаются на одну позицию вправо.
• Младший бит, который «выходит» за пределы регистра, отбрасывается.
• В старший бит записывается ‘0’.

В нашем алгоритме умножения логический сдвиг вправо используется для:

• Перемещения частичных произведений в регистре РгС для накопления результата.
• «Вытягивания» следующих разрядов множителя из РгВ в позицию, где они могут быть проанализированы.

Таким образом, тщательная проработка микроопераций и логических условий позволяет реализовать эффективный алгоритм умножения на 8-разрядном микропроцессоре с жесткой схемной логикой, что является ключевым для его функциональности.

Методы и инструменты верификации и тестирования функциональности 8-разрядного микропроцессора

Разработка микропроцессора, даже относительно простого 8-разрядного, не завершается созданием его логической схемы. Критически важным этапом является **верификация** — процедура проверки правильности функционирования объекта. Без надежной верификации нет уверенности в том, что спроектированное устройство будет работать так, как задумано, и что в его логике нет ошибок. Зачем тратить время и ресурсы на создание того, что может оказаться неработоспособным?

Определение верификации и тестирования

• Верификация — это процесс подтверждения того, что проектируемое устройство соответствует своим спецификациям и требованиям. Она отвечает на вопрос: «Правильно ли мы строим систему?»
• Тестирование — это частный случай верификации, направленный на поиск неисправностей и ошибок путем подачи определенных входных воздействий (тестовых векторов) и анализа выходных реакций. Оно отвечает на вопрос: «Работает ли система так, как должна?»

Для микропроцессорных устройств принципы тестирования схожи с тестированием любых других цифровых устройств, но обладают спецификой, связанной со сложностью их архитектуры и программным управлением.

Обзор методов верификации для 8-разрядных МП на жесткой логике

В контексте 8-разрядных микропроцессоров, особенно разработанных на жесткой логике, верификация фокусируется на обеспечении правильности выполнения системой команд и микроопераций. Основные методы включают:

1. Экспертиза проектных документов: Это самый первый и базовый метод. Анализ архитектуры, логических схем, граф-схем алгоритмов (ГСА), таблиц состояний и переходов опытными инженерами позволяет выявить многие ошибки на ранних стадиях, до того как они станут дорогостоящими для исправления.
2. Имитационное тестирование (симуляция работы): Этот метод заключается в создании компьютерной модели микропроцессора (например, на языке описания аппаратуры HDL, таком как VHDL или Verilog) и симуляции его работы с различными входными данными и последовательностями команд. Программные HDL-симуляторы позволяют подавать тестовые векторы, наблюдать за внутренними состояниями регистров и шин, а также сравнивать полученные результаты с ожидаемыми. Для 8-разрядных МП функциональная верификация может осуществляться с использованием программ, написанных на низкоуровневых языках, таких как C или ассемблер, которые запускаются на симулируемой модели.
3. Формальная верификация (Formal Property Verification, FV): Это наиболее строгий и математически обоснованный метод верификации. В отличие от имитационного тестирования, которое проверяет лишь конечное подмножество возможных состояний, формальная верификация доказывает эквивалентность схемы и ее формальной спецификации (модели) для *всех возможных состояний и входных комбинаций*.
   • Отличие от функциональной верификации: Функциональная верификация (имитационная) лишь показывает, что устройство «работает так, как задумано» для *проверенных сценариев*. Формальная верификация, используя математическое решение системы логических уравнений, доказывает это *для всех возможных сценариев*.
   • Использование формальной спецификации: В качестве формальной спецификации выступают утверждения (assert) и допущения (assume), которые описываются на специальных языках, например, SVA (SystemVerilog Assertions). Утверждения описывают свойства, которые всегда должны быть истинными, а допущения — условия, при которых эти свойства должны выполняться.
   • Методы формальной верификации: Включают проверку моделей (Model Checking) с подтипами Bounded Model Checking (BMC), которое проверяет свойства в течение ограниченного числа тактов, и Unbounded Model Checking, стремящееся к полной проверке без ограничений по времени.

Технологии автоматизации верификации

Для повышения эффективности проверки разрабатываемых СБИС (сверхбольших интегральных схем) развиваются технологии автоматизации верификации:

• Генерация тестов (testbench automation, TBA): Автоматическое создание тестовых сред и тестовых векторов, что значительно сокращает ручной труд и повышает покрытие тестов.
• Верификация на основе встроенных утверждений (assertion-based verification, ABV): Интеграция утверждений (asserts) непосредственно в HDL-код проекта, позволяющая автоматически проверять свойства в процессе симуляции или формальной верификации.
• Верификация на основе анализа тестового покрытия (coverage-driven verification, CDV): Система автоматически определяет, какие части кода или состояния были охвачены тестами, и стремится достичь максимального покрытия, указывая на «непротестированные» участки.
• Моделирование на уровне транзакций (transaction-level modeling, TLM): Моделирование взаимодействия компонентов на более высоком уровне абстракции (транзакций, а не отдельных битов), что ускоряет симуляцию и позволяет быстрее проверять системную функциональность.

Инструменты для отладки и прототипирования

Для практической отладки и проверки функциональности реального или прототипного 8-разрядного микропроцессора используются как программные, так и аппаратные средства:

1. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС/FPGA): Это ключевой инструмент для прототипирования цифровых микросхем, включая процессоры. FPGA содержат матрицу логических ячеек (реализующих триггеры и логические вентили) и программируемую архитектуру внутренних соединений. Это позволяет «загрузить» разработанную логическую схему в FPGA и получить физически работающий прототип, который можно тестировать в реальных условиях.
2. Аппаратные средства отладки:
   • Осциллографы: Для анализа временных диаграмм сигналов, проверки синхронизации, выявления задержек и паразитных колебаний.
   • Цифровые вольтметры: Для измерения уровней напряжений.
   • Логические анализаторы: Позволяют одновременно наблюдать за состоянием множества цифровых линий, что критически важно для анализа работы шин данных, адреса и управления.
   • Сигнатурные анализаторы: Используются для сжатия последовательностей логических состояний в «сигнатуры» для быстрого сравнения с эталонными значениями.
3. Эмуляторы и режимы отладки:
   • Кроссовые системы: Предназначены для моделирования и отладки программ, но могут иметь ограничения для аппаратной отладки.
   • Эмуляторы: Позволяют имитировать работу микропроцессора на другом оборудовании, предоставляя доступ к внутренним регистрам, памяти и портам ввода-вывода. Эмуляторы могут работать в разных режимах:
     • Опрос состояния различных узлов МПУ: Позволяет инженеру в любой момент времени видеть состояние регистров, флагов и памяти.
     • Пошаговое исполнение программы (микропрограммы) пользователя: Исполнение каждой инструкции или микрокоманды по очереди, что удобно для детального анализа логики.
     • Эмуляция исполнения программы в реальном времени: Позволяет тестировать взаимодействие с внешними устройствами на их реальной скорости.
   • Режим отладки «реального времени» в микроконтроллерах: Современные микроконтроллеры часто имеют встроенные отладочные интерфейсы, которые позволяют получить доступ на чтение/запись ко всем переменным программы и регистрам без остановки микроконтроллера, что критически важно для отладки сложных встроенных систем.

Значимость верификации в цикле разработки (60-90% времени для СнК)

Недооценить значимость верификации невозможно. Для сложных систем на кристалле (СнК), к которым можно отнести и микропроцессоры, этап верификации занимает от 60% до 90% общего времени разработки. Это огромный объем работы, который подчеркивает, что создание логически корректной схемы — это лишь полдела; гораздо сложнее доказать ее безупречную работоспособность во всех возможных сценариях. Эффективная методология верификации является залогом успешной реализации любого микропроцессорного проекта, минимизируя риски и обеспечивая надежность конечного продукта.

Заключение

Разработка 8-разрядного микропроцессора на схемной логике, рассмотренная в данной курсовой работе, представляет собой комплексную инженерную задачу, охватывающую фундаментальные принципы цифровой схемотехники и архитектуры ЭВМ. Наше исследование продемонстрировало, что, несмотря на доминирование многоразрядных систем, 8-разрядные микроконтроллеры остаются жизненно важным сегментом рынка встроенных систем благодаря своей экономической эффективности, низкому энергопотреблению и надежности в широком спектре приложений — от бытовой электроники до сложных автомобильных систем.

В ходе работы были достигнуты следующие основные результаты:

1. Детально проанализированы принципы жесткой схемной логики, ее достоинства (высокое быстродействие) и недостатки (сложность при масштабировании), а также поэтапный цикл разработки микросхем, что заложило теоретическую базу для практического проектирования.
2. Синтезировано операционное устройство 8-разрядного микропроцессора, включающее арифметико-логическое устройство (АЛУ) с базовыми арифметическими и логическими операциями, а также блок регистров общего назначения, способных работать как индивидуально, так и в 16-разрядных парах. Проанализированы пути передачи данных через шины, подчеркнув их критическую роль в архитектуре.
3. Разработана методология синтеза управляющего устройства в формате автомата Мура, начиная от граф-схемы алгоритма (ГСА) и заканчивая кодированием состояний, определением функций возбуждения триггеров и выходных функций, а также минимизацией булевых выражений с использованием классических методов.
4. Подробно описан алгоритм реализации операции умножения чисел в прямом коде со сдвигом суммы частичных произведений вправо. Были детализированы необходимые микрооперации (инициализация, сложение, инкремент, сдвиги) и логические условия, а также обоснована необходимость использования регистра-аккумулятора двойной длины.
5. Представлен комплексный подход к верификации и тестированию функциональности разработанного микропроцессора. Рассмотрены различные методы — от экспертизы документов и имитационного моделирования до строгой формальной верификации, а также современные технологии автоматизации (TBA, ABV, CDV, TLM) и инструменты для отладки и прототипирования (ПЛИС/FPGA, логические анализаторы, эмуляторы).

Эта работа подтверждает, что даже при использовании традиционных подходов жесткой логики можно создать полноценный и работоспособный микропроцессор. Полученные знания и навыки в области структурного синтеза, проработки микроопераций и верификации являются фундаментальными для любого инженера-разработчика цифровой аппаратуры, обеспечивая основу для создания более сложных систем.

В качестве потенциальных направлений для дальнейших исследований или улучшений можно выделить:

• Разработка более сложного набора команд, включая операции деления или работу с числами с плавающей запятой.
• Реализация микропрограммного управления для повышения гибкости и упрощения изменения системы команд.
• Оптимизация логических схем для достижения максимального быстродействия и минимизации энергопотребления с использованием передовых САПР-инструментов.
• Глубокое исследование и применение методов формальной верификации для доказательства корректности всего проекта.
• Разработка полноценного тестового стенда на ПЛИС для аппаратной верификации и отладки реального прототипа.

Таким образом, данная курсовая работа не только систематизирует знания по проектированию микропроцессоров, но и служит отправной точкой для дальнейшего углубленного изучения и практического применения в мире цифровой электроники.

Список использованной литературы

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. Учебник для техникумов. Москва: Горячая линия — ТЕЛЕКОМ, 2002.
2. Каган Б.М., Каневский М.М. Цифровые вычислительные машины и системы. Под редакцией Б.М. Кагана. 2-е изд., перераб. Учебное пособие для вузов. М.: Энергия, 1974.