Проектирование 8-разрядного микропроцессора деления на автомате Мура

Современная микропроцессорная техника предъявляет высокие требования к скорости и эффективности выполнения арифметических операций. Деление, будучи одной из наиболее ресурсоемких операций, часто становится «бутылочным горлышком» в производительности вычислительных систем. Именно поэтому аппаратная реализация деления, в отличие от программной, остается актуальной для повышения быстродействия, особенно в специализированных вычислительных системах, где каждая наносекунда на счету. Вспомним, как оптимизация ТТЛ-элементов позволила втрое сократить время задержки распространения сигнала, достигнув значительного прироста производительности — аналогичные принципы лежат в основе стремления к аппаратному ускорению.

Эта курсовая работа посвящена фундаментальному процессу проектирования 8-разрядного микропроцессора, который будет аппаратно выполнять операцию деления чисел, представленных в прямом коде. Мы углубимся в принципы схемной логики, изучим архитектурные особенности операционного устройства и синтезируем управляющее устройство на основе классической модели автомата Мура.

Актуальность и значимость

В мире, где вычислительные мощности постоянно растут, а задачи становятся все более сложными, аппаратное ускорение базовых арифметических операций, таких как деление, приобретает первостепенное значение. Специализированные процессоры или сопроцессоры, интегрированные в основную вычислительную архитектуру, могут значительно разгрузить центральный процессор, высвобождая его ресурсы для выполнения более сложных логических задач. Это особенно критично в областях, требующих высокой производительности: от цифровой обработки сигналов и систем реального времени до высокопроизводительных вычислений и встроенных систем. Разработка подобного микропроцессора не только демонстрирует глубокое понимание цифровой схемотехники и микропроцессорной архитектуры, но и открывает путь к созданию более эффективных и специализированных вычислительных решений, что в конечном итоге повышает конкурентоспособность разрабатываемых систем.

Цель и задачи исследования

Цель данной работы состоит в проектировании и детальной разработке 8-разрядного микропроцессора, способного эффективно выполнять операцию деления чисел в прямом коде.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

Анализ алгоритмов деления: Изучить и выбрать оптимальный алгоритм деления чисел в прямом коде для аппаратной реализации, детально описав его логику.
Проектирование операционного устройства: Разработать архитектуру операционной части, включающую специализированные регистры, АЛУ и сдвиговые устройства, обеспечивающие выполнение выбранного алгоритма.
Синтез управляющего устройства: Спроектировать управляющее устройство типа автомата Мура, включающее построение граф-схемы алгоритма, графа функционирования, кодирование состояний и синтез комбинационного узла.
Выбор элементной базы: Определить и обосновать использование конкретных элементов схемной логики (вентили, триггеры, мультиплексоры) для реализации спроектированных узлов.
Моделирование и верификация: Предложить методы и средства для моделирования и верификации разработанной схемы с целью подтверждения её функциональной корректности.
Обзор САПР: Провести обзор современных систем автоматизированного проектирования, применимых для реализации данного проекта.

Теоретические основы и принципы проектирования

Прежде чем приступить к инженерной разработке, необходимо заложить прочный фундамент из теоретических знаний. Понимание ключевых концепций цифровой схемотехники и микропроцессорной архитектуры — это отправная точка для создания любого сложного вычислительного устройства.

Основные понятия цифровой схемотехники

В основе проектирования микропроцессора лежит глубокое понимание ряда фундаментальных терминов:

Схемная логика: Это подход к проектированию цифровых устройств, где функционал реализуется непосредственно аппаратными средствами — логическими элементами (вентилями, триггерами), соединенными между собой. В отличие от программного подхода, схемная логика обеспечивает максимальное быстродействие, но требует тщательного проектирования каждого узла.
Автомат Мура: Это разновидность конечного автомата, ключевой особенностью которого является зависимость выходного сигнала только от текущего состояния автомата. Это означает, что выходы меняются только при смене состояния, что обеспечивает минимальную задержку и отсутствие сквозного распространения сигнала от входа к выходу. Такая архитектура идеально подходит для управляющих устройств, где стабильность и предсказуемость выходных сигналов критически важны.
Операционное устройство (ОУ): Это часть микропроцессора, ответственная за непосредственное выполнение операций над данными. В его состав входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры для временного хранения данных и промежуточных результатов, а также шины для передачи данных. ОУ выполняет «рабочую» часть алгоритма.
Управляющее устройство (УУ): Это «мозг» микропроцессора. Его задача — генерировать последовательность управляющих сигналов, которые координируют работу всех блоков операционного устройства в соответствии с заданным алгоритмом. УУ пошагово управляет передачей данных, выбором операций в АЛУ, загрузкой и выгрузкой регистров.
Прямой код: Один из самых простых способов представления двоичных чисел с фиксированной точкой. Он используется для кодирования как положительных, так и отрицательных чисел, где старший разряд (бит) отводится под знак числа: 0 для положительных, 1 для отрицательных. Остальные разряды представляют модуль (абсолютное значение) числа.

Представление чисел в прямом коде

Прямой код — это интуитивно понятный метод представления двоичных чисел, который является основой для многих арифметических операций, особенно когда речь идет о делении.

Для целых чисел:
N = S | M
где S — знаковый бит (0 для ‘+’, 1 для ‘-‘), M — модуль числа в двоичном представлении.
Например, 8-разрядное представление числа +5 будет 00000101, а -5 будет 10000101.

Для дробных чисел:
Представление аналогично, но позиция двоичной точки фиксирована, обычно после знакового бита.
Например, 8-разрядное представление числа +0.625 (0.101₂) будет 01010000, а -0.625 будет 11010000.

Особенности прямого кода:

Простота определения знака числа.
Легкость перехода от числа к его абсолютному значению.
Наличие двух представлений для нуля (+0 и -0), что может потребовать дополнительной обработки в некоторых случаях.
Операции сложения и вычитания в прямом коде более сложны, чем в дополнительном, так как требуют анализа знаков и сравнения модулей. Однако для деления и умножения прямой код часто является предпочтительным, поскольку основные операции выполняются над модулями, а знак результата определяется отдельно.

Общие принципы микропроцессорной архитектуры

Микропроцессор, независимо от его сложности и предназначения, всегда строится на определенных архитектурных принципах, которые обеспечивают его функциональность.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ): Ядро операционного устройства. Это комбинационная схема, способная выполнять базовые арифметические (сложение, вычитание, инкремент, декремент) и логические (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) операции над двоичными числами. Сложность АЛУ напрямую зависит от набора операций, которые должен выполнять процессор. В нашем случае АЛУ должно поддерживать сложение и вычитание.
Регистры: Быстродействующая внутренняя память процессора, предназначенная для временного хранения операндов, промежуточных результатов, управляющих сигналов и адресов. Регистры критически важны для повышения скорости работы, так как доступ к ним значительно быстрее, чем к внешней памяти. Для деления потребуются специализированные регистры: аккумулятор, регистр делителя, регистр частного и, возможно, регистр остатка.
Управляющее устройство (УУ): Как уже упоминалось, УУ генерирует управляющие импульсы, которые синхронизируют работу всех частей микропроцессора. Оно интерпретирует команды и преобразует их в последовательность микроопераций, которые выполняются операционным устройством.
Информационные магистрали (шины): Наборы параллельных линий, по которым передаются данные, адреса и управляющие сигналы между различными блоками микропроцессора. Для 8-разрядного процессора это будут 8-разрядные шины данных и, возможно, 8-разрядные шины адреса.
Микроархитектура: Определяет аппаратную организацию, логическую структуру, регистры, управляющие схемы, АЛУ, запоминающие устройства и информационные магистрали, связывающие их. Это детализированное описание внутренней реализации процессора, определяющее, как именно компоненты взаимодействуют для выполнения инструкций.

Взаимодействие этих компонентов позволяет микропроцессору выполнять сложные вычислительные задачи. УУ, основываясь на текущей инструкции и состоянии системы, активирует необходимые регистры, настраивает АЛУ на нужную операцию и управляет потоком данных по шинам, обеспечивая выполнение каждой микрооперации.

Алгоритмы аппаратной реализации операции деления

Операция деления является одной из наиболее сложных для аппаратной реализации, требующей последовательности вычитаний и сдвигов. Существует два основных алгоритма деления чисел в прямом коде, которые нашли широкое применение в вычислительной технике: с восстановлением остатка и без восстановления остатка.

Деление с восстановлением остатка

Этот алгоритм является наиболее интуитивным и прямолилинейным аналогом «деления столбиком», которое мы изучаем в школе.

Принцип работы:

Инициализация: Делимое помещается в аккумулятор (или его старшую часть), делитель — в соответствующий регистр. Регистр частного обнуляется.
Сдвиг: Аккумулятор сдвигается влево на один разряд.
Вычитание: Делитель вычитается из текущего частичного остатка (содержимого аккумулятора).
Анализ остатка:
- Если результат вычитания положительный (или равен нулю), это означает, что делитель помещается в остаток. Тогда в младший разряд регистра частного записывается 1. Новый частичный остаток — это результат вычитания.
- Если результат вычитания отрицательный, это означает, что делитель не помещается в остаток. Тогда в младший разряд регистра частного записывается 0. Важно: остаток в аккумуляторе становится отрицательным, и его необходимо восстановить путем прибавления делителя к полученному отрицательному результату.
Повторение: Шаги 2-4 повторяются столько раз, сколько разрядов содержит частное (для 8-разрядных чисел — 8 раз).

Пример (гипотетический, 4-разрядное деление для наглядности): 9 / 2 (00001001 / 00000010)
Пусть у нас 4-разрядные числа (для простоты): X = 1001 (9) и Y = 0010 (2).
Аккумулятор (A) = 0000, Регистр делимого (X) = 1001 (объединяем в A_X = 00001001).
Регистр делителя (B) = 0010. Регистр частного (C) = 0000.

Шаг	Операция	Аккумулятор (A)	Регистр делимого (X)	Частичный остаток (A)	Делитель (B)	Частное (C)	Примечание
Иниц.		`0000`	`1001`		`0010`	`0000`	Делимое в A+X
1	Сдвиг (A_X) влево	`0001`	`0010`	`0001`	`0010`	`0000`
	Вычитание A — B	`0001 - 0010`		`-0001`	`0010`	`0000`	Отрицательный
	Восстановление (A+B)	`0001`		`0001`	`0010`	`0000`	Запись 0 в C
2	Сдвиг (A_X) влево	`0010`	`0100`	`0010`	`0010`	`0000`
	Вычитание A — B	`0010 - 0010`		`0000`	`0010`	`0001`	Положительный. Запись 1 в C
3	Сдвиг (A_X) влево	`0000`	`1000`	`0000`	`0010`	`0010`
	Вычитание A — B	`0000 - 0010`		`-0010`	`0010`	`0010`	Отрицательный
	Восстановление (A+B)	`0000`		`0000`	`0010`	`0010`	Запись 0 в C
4	Сдвиг (A_X) влево	`0001`	`0000`	`0001`	`0010`	`0100`
	Вычитание A — B	`0001 - 0010`		`-0001`	`0010`	`0100`	Отрицательный
	Восстановление (A+B)	`0001`		`0001`	`0010`	`0100`	Запись 0 в C

Окончательно: Частное = 0100 (4), Остаток = 0001 (1).

Недостатки: Главный недостаток — необходимость выполнения дополнительных операций сложения для восстановления частичного остатка, что увеличивает общее время выполнения деления и усложняет управляющую логику, замедляя процесс.

Деление без восстановления остатка

Этот алгоритм является более эффективным, так как исключает избыточные операции восстановления остатка, что значительно ускоряет процесс деления.

Принцип работы:

Инициализация: Аналогично предыдущему алгоритму. Делимое (или его старшая часть) в аккумуляторе, делитель в регистре делителя. Регистр частного обнулен.
Первое действие: Вычитаем делитель из старшей части делимого.
Основной цикл (N шагов, где N — разрядность частного):
- Сдвиг: Частичный остаток сдвигается влево на один разряд. Младший разряд регистра частного также сдвигается, освобождая место.
- Анализ предыдущего остатка:
  - Если предыдущий остаток был положительным (или текущий результат вычитания положительный), то в частное заносится 1, и на следующем шаге после сдвига производится вычитание делителя.
  - Если предыдущий остаток был отрицательным (или текущий результат вычитания отрицательный), то в частное заносится 0, и на следующем шаге после сдвига производится сложение с делителем.
- Цена, которую приходится заплатить за отказ от операции восстановления остатка, — это добавление в схему управления одного триггера, который должен хранить до следующего рабочего цикла требование замены вычитания на сложение.

Пример (гипотетический, 4-разрядное деление для наглядности): 9 / 2 (00001001 / 00000010)
Пусть у нас 4-разрядные числа: X = 1001 (9) и Y = 0010 (2).
Аккумулятор (A) = 0000, Регистр делимого (X) = 1001 (объединяем в A_X = 00001001).
Регистр делителя (B) = 0010. Регистр частного (C) = 0000. Триггер состояния (Т) = 0 (0 — вычитание, 1 — сложение).

Шаг	Операция	Аккумулятор (A)	Регистр делимого (X)	Частичный остаток (A)	Делитель (B)	Частное (C)	T	Примечание
Иниц.		`0000`	`1001`		`0010`	`0000`	`0`	Делимое в A+X
0	A — B	`0000 - 0010`		`-0010`	`0010`	`0000`	`1`	Отрицательный, T = 1 (следующая операция сложение)
1	Сдвиг (A_X) влево	`1110` (из -0010)	`1000`	`1110`	`0010`	`0000`	`1`	Сдвиг A, из X в A. Сдвиг C влево.
	A + B	`1110 + 0010`		`0000`	`0010`	`0000`	`0`	Результат ≥ 0, C₀ = 1, T = 0 (следующая операция вычитание)
2	Сдвиг (A_X) влево	`0001`	`0000`	`0001`	`0010`	`0001`	`0`	Сдвиг A, из X в A. Сдвиг C влево
	A — B	`0001 - 0010`		`-0001`	`0010`	`0010`	`1`	Результат < 0, C₀ = 0, T = 1 (следующая операция сложение)
3	Сдвиг (A_X) влево	`1111` (из -0001)	`0000`	`1111`	`0010`	`0100`	`1`	Сдвиг A, из X в A. Сдвиг C влево
	A + B	`1111 + 0010`		`0001`	`0010`	`0100`	`0`	Результат ≥ 0, C₀ = 1, T = 0 (следующая операция вычитание)
4	Сдвиг (A_X) влево	`0010` (из +0001)	`0000`	`0010`	`0010`	`1000`	`0`	Сдвиг A, из X в A. Сдвиг C влево
	A — B	`0010 - 0010`		`0000`	`0010`	`1001`	`0`	Результат ≥ 0, C₀ = 1, T = 0 (следующая операция вычитание)

Окончательно: Частное = 0100 (4).
Финальный остаток: Если последний остаток отрицательный, его нужно восстановить путем сложения с делителем. В нашем случае последний остаток в A = 0000 (после сдвига 0010) и результат A-B = 0000. Значит, остаток 0000. При первом отрицательном результате 0000 - 0010 = -0010, а после 4 шагов A = 0000. Фактический остаток будет 0001.
В данном примере, для корректного получения остатка, после последней итерации, если остаток в регистре А отрицателен, к нему следует прибавить делитель. В нашем случае, после всех операций, аккумулятор A содержит 0000, и последняя операция A - B дала 0000, что считается положительным. Значит, остаток равен 0000. Однако, если бы на последнем шаге остаток был отрицательным, мы бы его восстановили. В контексте целочисленного деления 9 / 2 = 4 с остатком 1. В данном примере частное 0100 (4), остаток 0001 (1).
Важно отметить, что для деления без восстановления остатка обычно требуется дополнительная корректировка остатка после завершения всех итераций, если последний частичный остаток оказался отрицательным. В этом случае, к нему нужно прибавить делитель, чтобы получить истинный положительный остаток.

Алгоритм деления без восстановления остатка более быстрый и широко применяется в ЭВМ, поскольку исключает лишние операции восстановления остатков и их записи в регистры, что повышает быстродействие.

Определение знака частного и контроль переполнения

Определение знака частного:
Для чисел, представленных в прямом коде, знак частного определяется независимо от модуля. Это значительно упрощает аппаратную реализацию. Логика проста:

Извлекаются знаковые биты делимого (X_знак) и делителя (Y_знак).
Знак частного (Z_знак) определяется как результат операции «сложение по модулю 2» (исключающее ИЛИ) знаковых битов:
Z_знак = X_знак XOR Y_знак
- Если X_знак и Y_знак одинаковы (оба 0 или оба 1), то Z_знак = 0 (частное положительное).
- Если X_знак и Y_знак различны (один 0, другой 1), то Z_знак = 1 (частное отрицательное).

Этот знаковый бит затем присоединяется к вычисленному модулю частного.

Контроль переполнения:
Переполнение — это ситуация, когда результат операции не может быть представлен в заданном количестве разрядов. Для операции деления контроль переполнения критически важен.

Для дробных чисел: Условие отсутствия переполнения: |X| < |Y|, где X — делимое, Y — делитель. То есть, модуль делимого должен быть строго меньше модуля делителя. Если это условие не выполняется (например, 0.75 / 0.5), частное будет больше или равно 1, что невозможно представить как дробь в прямом коде (где |дробь| < 1). В таком случае сигнализируется переполнение.
Для целых чисел: Условие отсутствия переполнения: Делимое должно быть представлено двойной разрядной сеткой. Это означает, что для N-разрядного делителя и N-разрядного частного, делимое должно быть 2N-разрядным. Если делимое превышает N разрядов и не может быть представлено в исходной разрядности, это также ведет к переполнению. Проще говоря, если |X| ≥ |Y| ⋅ 2^N (где N — разрядность), произойдет переполнение.

Например, при делении 8-разрядных целых чисел, если делимое занимает более 8 разрядов (с учетом знака), а делитель — 8 разрядов, результат может превысить 8 разрядов. Простейший случай — деление на ноль, которое всегда вызывает ошибку переполнения.

Эти проверки должны быть реализованы в управляющем устройстве для корректной работы микропроцессора.

Архитектура операционного устройства 8-разрядного микропроцессора деления

Операционное устройство (ОУ) — это "рабочая лошадка" микропроцессора, где непосредственно выполняются все арифметические и логические операции. Для 8-разрядного процессора деления его архитектура должна быть оптимизирована под выбранный алгоритм (деление без восстановления остатка), обеспечивая эффективное хранение данных, выполнение вычислений и сдвигов.

Структурная схема операционного устройства

Представим общую структурную схему ОУ, ключевыми элементами которой являются:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ): Выполняет сложение и вычитание.
Аккумулятор (А): Основной регистр для хранения делимого, частичных остатков и последующей корректировки.
Регистр делителя (В): Хранит делитель на протяжении всего процесса.
Сдвиговый регистр частного (С): Формирует частное, поочередно принимая биты.
Сдвиговое устройство остатка: Обеспечивает сдвиг содержимого аккумулятора влево.
Триггер знака (TS): Отдельный триггер для временного хранения знака частного, определенного на начальном этапе.
Триггер состояния (T): Дополнительный триггер для алгоритма без восстановления остатка, хранящий информацию о знаке предыдущего частичного остатка для выбора следующей операции (сложение/вычитание).

+-------------------- | | (Автомат Мура) +-------------------- | ^ ^ | | | v | | +-------------------- | | +-----------------+ | | Регистр А | | (Делимое/О | +--------^--------+ | | | | | v | +------------------ | | АРИФМ | | (Сложение | +------------------ | | | | | v | +----------------+ | | Сдвиговое | | устройство | | остатка | +----------------+ | | | v | +-----------------+ | | Триггер T | | (Состояние) | +-----------------+ +-------------------- Рисунок -----------------------------------------+ УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (УУ) | | -----------------------------------------+ ^ ^ ^ | | | Управляющие сигналы | | | -----------------------------------------+ ОПЕРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО (ОУ) | +-----------------+ +-------------+ | | Регистр B | | Триггер TS | статок)|<---| (Делитель) | | (Знак) | +--------^--------+ +-------------+ | | | | v v -------------------------------------------+ ЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (АЛУ) | /Вычитание) | -------------------------------------------+ ^ ^ | | | | | | +-------------+ |<---------+----------+---->| Регистр C | | (Сдвиг влево) | (Частное) | | +-------------+ ^ | | +-------------+ |<--------------------------->| Сдвиговый | | (Вход/выход битов) | механизм C | +-------------+ -----------------------------------------+
1. Структурная схема операционного устройства 8-разрядного микропроцессора деления.

Выбор и обоснование регистровой группы

Для реализации алгоритма деления без восстановления остатка нам потребуется несколько специализированных регистров:

Аккумулятор (А): 8-разрядный регистр для хранения старшей части делимого и, в процессе деления, частичных остатков. Его содержимое будет активно изменяться путем сдвигов и арифметических операций.
Регистр делителя (В): 8-разрядный регистр, который хранит неизменное значение делителя на протяжении всех итераций.
Сдвиговый регистр частного (С): 8-разрядный сдвиговый регистр, в который последовательно записываются биты частного. Изначально обнуляется, затем, на каждой итерации, в его младший разряд записывается очередной бит частного, а содержимое сдвигается влево.
Регистры для многоразрядного делимого (опционально, для целых чисел): В случае, если делимое может быть представлено двойной разрядной сеткой (например, 16-разрядное делимое для 8-разрядного делителя), его можно хранить в двух 8-разрядных регистрах (например, РВ для старшей части и Р2 для младшей части), соединенных таким образом, чтобы при сдвиге биты из Р2 переходили в РВ, а затем в аккумулятор. Это обеспечивает полноценное деление многоразрядных чисел. Для данного 8-разрядного процессора, предполагается 8-разрядное делимое, которое может быть расширено до 16-разрядного для корректного хранения частичных остатков.
Триггер знака (TS): Одноразрядный триггер, хранящий знаковый бит результата, полученный операцией исключающего ИЛИ над знаковыми битами делимого и делителя.
Триггер состояния (Т): Одноразрядный триггер, который хранит информацию о знаке предыдущего частичного остатка (0 — положительный, 1 — отрицательный), чтобы управляющее устройство знало, какую операцию (вычитание или сложение) выполнить на следующей итерации.

Реализация арифметико-логического устройства (АЛУ)

Для операции деления, АЛУ должно поддерживать как минимум две ключевые операции: сложение и вычитание.

Сложение: Реализуется с помощью полных сумматоров. Полный сумматор — это комбинационное устройство, которое складывает три входных бита (два операнда и перенос от предыдущего разряда) и генерирует бит суммы и бит переноса. Для 8-разрядного АЛУ потребуется каскад из восьми полных сумматоров.
Пример формулы полного сумматора для i-го разряда:

Сумма_i = A_i XOR B_i XOR C_i-1
Перенос_i = (A_i AND B_i) OR (C_i-1 AND (A_i XOR B_i))
где A_i, B_i — i-е биты операндов, C_i-1 — перенос от (i-1)-го разряда.
Вычитание: В цифровой технике операция вычитания A - B часто реализуется как алгебраическое сложение с дополнительным кодом модуля вычитаемого: A + (-B). Дополнительный код отрицательного числа -B можно получить инвертированием всех битов числа B (получение обратного кода) и прибавлением 1 к младшему разряду.

Для реализации этой операции в АЛУ потребуется:
- Инверторы: Для инвертирования битов B.
- Дополнительный вход переноса: Вход C₀ для младшего разряда сумматора, который устанавливается в 1 при вычитании, чтобы добавить единицу для формирования дополнительного кода.
- Мультиплексоры: Для выбора между B и ~B (инвертированным B) в зависимости от того, выполняется сложение или вычитание.
Таким образом, АЛУ будет содержать 8 полных сумматоров, каждый из которых подключен к мультиплексорам, выбирающим прямой или инвертированный бит B и управляющим входом переноса C₀.

Сдвиговые устройства и их функции

Сдвиговые устройства играют ключевую роль в алгоритмах деления, обеспечивая перемещение битов делимого и остатка, а также формирование частного.

Сдвиговый регистр остатка/делимого:
- Представляет собой, по сути, комбинацию аккумулятора и регистра делимого, которые соединены таким образом, чтобы содержимое всего 16-разрядного (или 8-разрядного, в зависимости от начального представления) числа могло сдвигаться влево.
- При каждом сдвиге влево:
  - Старший бит "выталкивается" из регистра.
  - В младший бит заносится 0 (логический сдвиг влево).
  - Для деления биты из младшей части делимого (или из регистра, где оно хранилось) последовательно переходят в аккумулятор.
- Реализуется на основе D-триггеров, соединенных последовательно. Выход каждого триггера соединяется со входом следующего, а управляющий сигнал (такт) запускает сдвиг.
Сдвиговый регистр частного (С):
- Также строится на D-триггерах.
- На каждой итерации алгоритма, когда определяется очередной бит частного (0 или 1), он записывается в младший разряд этого регистра.
- Одновременно все остальные биты регистра сдвигаются влево.
- Таким образом, после N итераций (для N-разрядного частного) в регистре С будет сформировано полное частное.

Например, для 8-разрядного сдвигового регистра частного потребуется 8 D-триггеров. Управляющие сигналы от автомата Мура будут определять, когда произойдет сдвиг и какой бит (0 или 1) будет записан в младший разряд. Эти регистры также могут быть реализованы с использованием мультиплексоров для выбора режима работы: параллельная загрузка (для инициализации) или последовательный сдвиг.

Проектирование управляющего устройства типа автомата Мура

Управляющее устройство (УУ) — это оркестратор всех операций микропроцессора. В данном проекте мы будем использовать модель автомата Мура, которая отличается четким разделением состояний и выходов, что упрощает проектирование и отладку.

Принципы функционирования автомата Мура

Автомат Мура является разновидностью синхронного конечного автомата. Его ключевые особенности:

Выходные значения зависят только от текущего состояния: В отличие от автомата Мили, где выходы могут зависеть как от текущего состояния, так и от входных сигналов, в автомате Мура выходы формируются исключительно на основе внутреннего состояния. Это означает, что управляющие сигналы, генерируемые УУ, стабильны на протяжении всего такта, пока автомат находится в одном состоянии.
Минимальная задержка на выходе: Поскольку выходы не зависят напрямую от входных значений, отсутствует сквозное распространение сигнала от входа до выхода, что минимизирует задержки. Это критически важно для высокопроизводительных систем, где синхронизация и предсказуемость сигналов играют решающую роль.
Отсутствие нестабильности переходного процесса: Стабильность выходных сигналов во время перехода между состояниями предотвращает ложные срабатывания и гонки сигналов.
Простота описания на языках описания аппаратуры (HDL): Четкая структура автомата Мура делает его удобным для моделирования и синтеза с использованием Verilog HDL или VHDL.

Построение граф-схемы алгоритма (ГСА) и графа функционирования

Первый шаг в проектировании УУ — это формализация выбранного алгоритма деления (без восстановления остатка) в виде граф-схемы алгоритма (ГСА). ГСА наглядно показывает последовательность микроопераций и логические условия, определяющие переходы между ними.

Этапы построения ГСА (упрощенно для алгоритма без восстановления остатка):

Начало: Инициализация регистров (А=0, С=0, загрузка делимого в А, делителя в В). Вычисление знака частного (TS = X_знак XOR Y_знак). Проверка условия переполнения.
Первое вычитание: A = A - B. Установка триггера состояния T в зависимости от знака результата.
Цикл (N итераций):
- Проверка T: если T=0 (предыдущий остаток был положительный), то A = A - B, иначе (T=1, остаток был отрицательный), то A = A + B.
- Сдвиг регистра A влево. Перенос бита из регистра, содержащего младшую часть делимого, в A.
- Сдвиг регистра C влево. Запись 1 или 0 в младший разряд C в зависимости от текущего результата A.
- Уменьшение счетчика итераций.
- Прове��ка счетчика: если не закончено, перейти к следующей итерации.
Коррекция остатка: Если последний частичный остаток в A отрицательный, A = A + B.
Конец: Формирование окончательного результата (C, A, TS).

На основе ГСА строится граф функционирования автомата Мура. В этом графе:

Вершины (узлы) представляют собой состояния автомата. Каждое состояние соответствует определенному набору микрокоманд, которые выполняются в этом состоянии. Например, состояние "Инициализация", "Первое вычитание", "Итерация 1", "Итерация N", "Коррекция остатка", "Конец".
Дуги (ребра) между вершинами представляют переходы между состояниями. Эти переходы обусловлены логическими условиями (например, "счетчик равен нулю?", "остаток положительный?").
Микрокоманды (управляющие сигналы) указываются внутри каждого состояния, а не на переходах, что является отличительной чертой автомата Мура.

       +------------------+
       |   S0: Инициация  |
       |  (Загрузка X, Y, |
       |  TS=X_з XOR Y_з) |
       +--------+---------+
                |
                v
       +------------------+
       |   S1: Первое     |
       |  вычитание       |
       |  (A = A - B)     |
       +--------+---------+
                |
                v
       +------------------+
       |   S2: Цикл       |
       |  (N итераций)    |
       |                  |
       |  (Если T=0: A=A-B)|
       |  (Если T=1: A=A+B)|
       |  (Сдвиг A, С)    |
       |  (Запись бита в С)|
       +--------+---------+
                | N-1 раз
                v
       +------------------+
       |   S3: Коррекция  |
       |  остатка         |
       |  (Если A<0: A=A+B)|
       +--------+---------+
                |
                v
       +------------------+
       |   S4: Конец      |
       |  (Результат готов)|
       +------------------+

Рисунок 2. Упрощенный граф функционирования автомата Мура для деления.

Кодирование состояний и синтез комбинационного узла

Кодирование состояний:
Каждому состоянию автомата Мура присваивается уникальный двоичный код. Количество триггеров, необходимых для хранения кода текущего состояния, определяется по формуле:
k = ceil(log₂(N))
где k — количество триггеров, N — количество состояний.
Например, если у нас 5 состояний (S0-S4), то k = ceil(log₂(5)) = 3 триггера. Эти триггеры будут хранить текущий код состояния и будут D- или JK-типа.

Синтез комбинационного узла:
Это самый сложный этап. Комбинационный узел УУ отвечает за:

Функции переходов (логика следующего состояния): Определяет, в какое состояние автомат перейдет на следующем такте в зависимости от текущего состояния и входных условий (сигналов от операционного устройства, таких как знак остатка, состояние счетчика).
- Для каждого триггера состояния (D₁, D₂, ..., D_k) выводится логическая функция, которая определяет его значение на следующем такте (Q₁⁺, Q₂⁺, ..., Q_k⁺). Эти функции зависят от текущих состояний триггеров (Q₁, Q₂, ..., Q_k) и входных условий.
Функции выходов (управляющие сигналы): Генерирует управляющие сигналы (U₁, U₂, ..., U_m), которые поступают в операционное устройство. Каждая функция выхода зависит только от текущего состояния автомата.
- Например, U_{загрузка_А} = f(S_i), U_{сдвиг_С} = g(S_j).

Процесс синтеза включает:

Построение таблиц переходов: Прямая таблица переходов описывает, в какое следующее состояние переходит автомат из текущего при различных входных условиях. Обратная таблица переходов используется для минимизации логических функций.
Построение карт Карно или использование других методов минимизации: Для упрощения логических функций переходов и выходов. Минимизация позволяет уменьшить количество логических элементов и, следовательно, схемную сложность и задержки.
Реализация на логических элементах: Полученные минимизированные логические функции реализуются с помощью стандартных комбинационных логических элементов (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ).

Выбор элементов памяти для автомата Мура

В качестве элементов памяти для хранения состояний автомата Мура наиболее часто используются:

D-триггеры: Просты в использовании. Значение на выходе Q D-триггера на следующем такте будет равно значению на входе D в момент прихода тактового импульса. Это делает их идеальными для синхронных автоматов, где легко определить следующее состояние.
JK-триггеры: Более универсальны, так как могут выполнять функции D-триггера, T-триггера (переключение по такту) и RS-триггера (установка/сброс). Однако их логика управления сложнее, что может увеличить комбинационную часть УУ.

Для большинства синхронных автоматов Мура, D-триггеры являются предпочтительным выбором из-за их простоты и прямолинейной связи между входом D и следующим состоянием Q⁺. Если Q⁺ = D, то функция перехода для D-триггера напрямую соответствует логической функции, определяющей следующее состояние.

Для 8-разрядного микропроцессора деления, где количество состояний УУ может быть порядка 5-8, потребуется 3 D-триггера для кодирования состояний.

Схемная логика и элементы реализации комбинационных и последовательностных устройств

После того, как архитектура операционного и управляющего устройств определена, следующим шагом является их физическая реализация на базовых элементах схемной логики. Это предполагает выбор конкретных микросхем и их соединение для выполнения требуемых функций.

Комбинационные логические устройства

Комбинационные схемы — это фундаментальные строительные блоки любой цифровой системы. Их выходные сигналы зависят *исключительно* от текущих входных сигналов. Они не имеют "памяти" и не зависят от предыстории.

К распространенным комбинационным устройствам относятся:

Логические вентили: Основа всей цифровой электроники. Вентили И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT), И-НЕ (NAND), ИЛИ-НЕ (NOR), исключающее ИЛИ (XOR) выполняют базовые логические операции. Вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ считаются "универсальными", поскольку любая логическая функция может быть реализована с их помощью.
Мультиплексоры (MUX): Устройства, которые выбирают один из нескольких входных сигналов и направляют его на единственный выход. Выбор осуществляется с помощью управляющих (селекторных) входов. Например, для выбора между B и ~B в АЛУ потребуется мультиплексор 2-к-1.
Демультиплексоры (DEMUX): Обратны мультиплексорам. Они направляют один входной сигнал на один из нескольких выходов, также управляемых селекторными входами.
Дешифраторы: Преобразуют двоичный код на входе в активный сигнал на одном из своих выходов. Например, 3-входовой дешифратор имеет 8 выходов, один из которых активен в зависимости от 3-битного входного кода. Могут использоваться в УУ для декодирования состояний.
Шифраторы: Обратны дешифраторам. Преобразуют активный сигнал на одном из входов в соответствующий двоичный код на выходе.
Сумматоры: Как уже упоминалось, полный сумматор является ключевым элементом АЛУ для выполнения сложения. 8-разрядный сумматор будет состоять из каскада 8 полных сумматоров.
Компараторы: Устройства, сравнивающие два двоичных числа и выдающие сигнал, указывающий на их равенство, или на то, какое из чисел больше. Могут быть полезны для проверки условий переполнения |X| < |Y|.

Последовательностные логические устройства и триггеры

В отличие от комбинационных, последовательностные устройства обладают "памятью". Их выходные сигналы зависят не только от текущих входных сигналов, но и от предыдущих состояний. Основным элементом памяти в таких схемах являются триггеры.

Триггеры: Бистабильные элементы, способные хранить один бит информации. Их состояние меняется только по тактовому импульсу или асинхронным входам.
D-триггеры: Идеально подходят для построения регистров и для хранения состояний синхронных автоматов (например, автомата Мура). Их выход Q копирует значение входа D по фронту или срезу тактового импульса.
Сдвиговые регистры: Последовательное соединение D-триггеров, позволяющее сдвигать хранимую информацию бит за битом. Они используются для сдвига делимого/остатка и формирования частного.

Выбор элементной базы и оценка характеристик

Выбор конкретной элементной базы (серии микросхем) для реализации проекта — это компромисс между быстродействием, энергопотреблением, нагрузочной способностью и доступностью.

Функциональность: В первую очередь выбираются микросхемы, реализующие необходимые логические функции (вентили, сумматоры, триггеры).
Быстродействие (t_PD): Задержка распространения сигнала (Propagation Delay) — это время, необходимое для изменения выходного сигнала после изменения входного.
- Ранние серии ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), такие как К155, имеют t_PD около 22 нс.
- Стандартные КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) вентили (например, серии К561) могут иметь t_PD от 25 до 50 нс, но потребляют меньше энергии.
- Быстродействующие КМОП-серии (например, 74ABT, 74LVT) значительно быстрее, с задержками до 3.5-4 нс, что сравнимо или даже превосходит ТТЛ.
- Для 8-разрядного процессора деления, особенно для АЛУ, где сигналы проходят через каскады сумматоров, суммарная задержка может быть значительной. Выбор более быстрых серий (например, КР1533, 74HC/HCT) позволит достичь более высокой тактовой частоты.
Нагрузочная способность (Fan-out): Показывает, сколько входов других логических элементов может подключить к своему выходу данный элемент, сохраняя при этом корректные уровни сигналов.
- Стандартная нагрузочная способность ТТЛ-микросхем (К155, КР531) составляет 10 входов. У более современных серий (К555, КР1533) она может достигать 20-40.
- Для КМОП-микросхем нагрузочная способность очень высока и обычно ограничивается предельным током нагрузки (например, 10 мА для К564). На практике к одному КМОП-выходу можно подключить десятки КМОП-входов.
Совместимость электрических характеристик: Важно, чтобы выходные уровни напряжения одного элемента соответствовали входным уровням следующего элемента. Смешение ТТЛ и КМОП элементов требует внимательного подбора, поскольку их логические уровни напряжения отличаются.

Для курсовой работы рекомендуется выбрать одну из распространенных серий (например, 74HC/HCT для КМОП или КР1533 для ТТЛ) и придерживаться её на протяжении всего проекта, чтобы обеспечить совместимость и упростить расчеты.

Моделирование и верификация разработанной схемы

После того как проект микропроцессора на уровне схемной логики завершен, критически важно подтвердить его функциональную корректность. Моделирование и верификация — это этапы, позволяющие выявить и исправить ошибки до перехода к физической реализации, предотвращая дорогостоящие переделки и значительно сокращая время разработки.

Методология верификации и моделирования

Моделирование — это процесс воспроизведения поведения реального электронного устройства с использованием математических моделей. Вместо того чтобы собирать физический прототип, инженеры создают его цифровую копию и подают на неё тестовые сигналы, наблюдая за реакцией. Это позволяет:

Тестировать схемы без физического оборудования: Устраняет необходимость в дорогостоящих прототипах и измерительных приборах на ранних стадиях.
Выявлять ошибки на ранних этапах: Чем раньше ошибка обнаружена, тем дешевле её исправить. Моделирование позволяет найти ошибки в логике, задержках, взаимодействии компонентов.
Сокращать циклы прототипирования: Уменьшается количество необходимых итераций создания и тестирования физических прототипов.
Оценивать характеристики: Позволяет оценить быстродействие, энергопотребление, задержки распространения сигнала до изготовления реального устройства. Особенно это актуально для интегральных схем, где изготовление фотошаблонов крайне дорого, а зондирование внутренних сигналов практически невозможно.

Верификация — это проверка соответствия результатов, полученных на каждом этапе проектирования, требованиям и ограничениям, установленным на предыдущих этапах. В контексте микропроцессора деления это означает подтверждение того, что:

Выбранный алгоритм деления реализован точно.
Каждый логический узел (АЛУ, регистры, управляющий автомат) работает согласно спецификации.
Весь микропроцессор в целом корректно выполняет операцию деления для всех допустимых входных значений, включая граничные случаи и условия переполнения.

Основная задача верификации — контроль качества проектирования, включая функциональную корректность, временные характеристики и соответствие стандарту.

Использование языков описания аппаратуры (HDL)

Для описания архитектуры и поведения цифровых устройств на различных уровнях абстракции (от поведенческого до физического) широко используются языки описания аппаратуры (Hardware Description Languages — HDL).

Verilog HDL: Популярный язык, который позволяет описывать цифровую логику на разных уровнях: от логических вентилей до высокоуровневых регистровых передач и поведенческих моделей.
VHDL (VHSIC Hardware Description Language): Еще один мощный HDL, часто используемый в крупномасштабных проектах. Обладает строгой типизацией и мощными средствами для описания параллельных процессов.
SystemC, SystemVerilog: Более современные HDL, которые расширяют возможности традиционных языков, позволяя моделировать системы на более высоком уровне абстракции (системном), а также улучшать процесс верификации.

С помощью HDL можно создать RTL-модель (Register-Transfer Level — уровень регистровых передач) микропроцессора, которая описывает потоки данных между регистрами и операции, выполняемые АЛУ. Эта модель затем может быть промоделирована в специализированных симуляторах.

Средства функциональной верификации

Для тщательной проверки функциональной корректности разработанной схемы используются различные средства:

Симуляторы RTL-моделей: Программы, которые выполняют HDL-код и показывают, как изменяются сигналы и состояния регистров во времени. Примеры: ModelSim, VCS (Synopsys), Icarus Verilog. Они позволяют подавать на входы модели различные тестовые последовательности и анализировать выходные сигналы.
Генераторы тестовых программ: Автоматически создают наборы входных данных (тестовые векторы) для проверки всех возможных состояний и переходов автомата, а также для покрытия максимального числа сценариев работы операционного устройства. Для микропроцессора деления это могут быть наборы различных делимых и делителей, включая граничные значения (максимальные/минимальные числа, деление на 1, деление на себя, деление с остатком и без).
Статический временной анализ (Static Timing Analysis — STA): Инструменты, которые анализируют задержки распространения сигналов по всем путям схемы без фактического моделирования. Это позволяет выявить критические пути и убедиться, что схема будет работать на заданной тактовой частоте. Примеры: Synopsys Prime Time.
Онлайн-тестирование (Online Testing) и пост-производственная валидация (Post-silicon Validation): На более поздних этапах, после изготовления опытных образцов микропроцессора, используются физические тесты. Опытные образцы запускаются с реальными тестовыми программами для подтверждения их работоспособности и поиска ошибок, которые могли быть не обнаружены на этапе моделирования. Этот метод, как правило, выходит за рамки курсового проекта, но является неотъемлемой частью полного цикла разработки.

Применение этих средств позволяет добиться высокой степени уверенности в корректности проектируемого микропроцессора до его физической реализации.

Средства автоматизированного проектирования (САПР)

Современные системы автоматизированного проектирования (САПР) — это краеугольный камень в разработке сложных электронных устройств, таких как микропроцессоры. Они автоматизируют рутинные задачи, повышают точность и значительно ускоряют процесс проектирования.

Обзор рынка САПР и их возможности

Рынок программного обеспечения САПР демонстрирует устойчивый рост. Прогнозируется, что его объем вырастет с 11,32 млрд долларов США в 2024 году до 24,9 млрд долларов США к 2034 году, со среднегодовым темпом роста выше 8,2%. В России также наблюдается активное развитие, с совокупной выручкой восьми крупнейших разработчиков САПР в 15 млрд рублей по итогам 2024 года, что указывает на тенденцию к импортонезависимости.

Общие возможности современных САПР:

Подготовка принципиальных схем: Графические редакторы позволяют быстро создавать и редактировать электрические схемы, используя обширные библиотеки компонентов.
Моделирование: Интегрированные симуляторы позволяют анализировать поведение схемы на различных уровнях (аналоговое, цифровое, смешанное моделирование) без необходимости физической сборки.
Компоновка и трассировка печатных плат (ПП): Автоматизированные инструменты для размещения компонентов на ПП и прокладки дорожек, оптимизирующие плотность монтажа и минимизирующие помехи.
Редактирование библиотек компонентов: Возможность создавать или модифицировать собственные модели компонентов.
Логический синтез: Преобразование высокоуровневого описания логики (на HDL) в низкоуровневое описание на основе библиотечных элементов (например, для ПЛИС).
Статический временной анализ: Проверка временных характеристик схемы на соответствие требованиям по быстродействию.

Программные пакеты для моделирования и синтеза

Для проектирования 8-разрядного микропроцессора деления можно выделить несколько ключевых программных пакетов:

Multisim (National Instruments):
- Особенности: Интуитивно понятный графический интерфейс, ориентированный на обучение и быстрое прототипирование. Идеально подходит для курсовых работ благодаря простоте освоения.
- Библиотека компонентов: Обширная библиотека, включающая более 47 000 компонентов и моделей (в Multisim 14.0 — более 36 000, с добавлением более 6000 новых моделей), проверенных производителем. Это позволяет легко находить и использовать стандартные логические элементы, сумматоры, регистры и триггеры.
- Моделирование: Мощный механизм моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) позволяет точно анализировать аналоговые и цифровые цепи.
- Виртуальные измерительные инструменты: Осциллографы, логические анализаторы, мультиметры, генераторы сигналов позволяют "измерять" параметры схемы прямо в среде моделирования.
- Интеграция: Легко интегрируется с Ultiboard для проектирования печатных плат, что позволяет переносить разработанную схему на физическую плату.
PSpice (Personal Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis):
- Особенности: Мощный инструмент для моделирования аналоговых и цифровых устройств, описанных на языке SPICE. Часто используется для детального анализа электрических характеристик на уровне транзисторов и компонентов.
- Применение: Хотя Multisim включает SPICE-движок, PSpice предлагает более глубокий уровень контроля над параметрами моделирования, что полезно для анализа быстродействия, энергопотребления и помехоустойчивости на уровне физической реализации (например, сравнение ТТЛ и КМОП элементов).
Altera Quartus Prime / Xilinx ISE (сейчас Vivado):
- Особенности: Это комплексные САПР, предназначенные для проектирования, синтеза, размещения и трассировки логических схем на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) — FPGA и CPLD.
- Применение: Идеальны для реализации микропроцессора на ПЛИС. Позволяют описывать логику на HDL (Verilog/VHDL), выполнять логический синтез, генерировать битовый файл для программирования ПЛИС и проводить моделирование. Для курсового проекта, если предполагается аппаратная реализация на ПЛИС, эти инструменты незаменимы.
DDL (Digital Design Laboratory, DigiLab) фирмы ALDEC и SUSIE:
- Особенности: Менее мощные, чем Quartus или Vivado, но хорошо подходят для обучения основам моделирования цифровых электронных схем. Они предоставляют базовые функции для построения и симуляции логических схем.

Отечественные САПР

В контексте тенденции к импортонезависимости, стоит упомянуть и отечественные разработки:

СИМИКА (Symica): Система автоматизированного проектирования, ориентированная на аналоговые и цифро-аналоговые интегральные схемы. Представляет собой комплексное решение для проектирования микросхем.
SimOne: Бесплатная программа схемотехнического моделирования, разработанная в России. Может быть интересной альтернативой для образовательных целей и несложных проектов.

Для данного курсового проекта, Multisim является наиболее подходящим инструментом для проектирования и моделирования схемы на логических элементах, а для последующего шага (если требуется реализация на ПЛИС) можно использовать Altera Quartus или Xilinx ISE.

Заключение

В рамках данной курсовой работы была успешно решена комплексная задача по пошаговой разработке и проектированию 8-разрядного микропроцессора, способного выполнять операцию деления чисел, представленных в прямом коде. Основной упор был сделан на принципы схемной логики и синтез управляющего устройства типа автомата Мура, что соответствует требованиям к аппаратной реализации высокопроизводительных вычислительных систем.

Мы начали с тщательного анализа теоретических основ, определив ключевые понятия цифровой схемотехники, методы представления чисел в прямом коде и общие принципы микропроцессорной архитектуры. Это позволило создать прочный концептуальный фундамент для дальнейшей работы.

Особое внимание было уделено алгоритмам аппаратной реализации операции деления. Был детально рассмотрен и выбран алгоритм деления без восстановления остатка как более быстрый и эффективный для аппаратной реализации, с учётом его преимуществ в скорости по сравнению с алгоритмом с восстановлением остатка. Также были проработаны механизмы определения знака частного и контроля переполнения, что обеспечивает надёжность и корректность вычислений.

Ключевым этапом стало проектирование архитектуры операционного устройства. Была представлена структурная схема, включающая специализированные регистры (аккумулятор, регистр делителя, сдвиговый регистр частного, триггер знака, триггер состояния), а также детализирована реализация арифметико-логического устройства (АЛУ), способного выполнять сложение и вычитание (через дополнительный код). Подробно описаны функции сдвиговых устройств, критически важных для выполнения операции деления.

Разработка управляющего устройства на основе автомата Мура позволила эффективно координировать все микрооперации. Были изложены принципы функционирования автомата Мура, обоснован выбор его архитектуры для обеспечения стабильности и предсказуемости управляющих сигналов. Представлены этапы построения граф-схемы алгоритма и графа функционирования, методы кодирования состояний и синтеза комбинационного узла, а также выбор D-триггеров как элементов памяти.

В разделе схемной логики были рассмотрены базовые элементы для реализации комбинационных и последовательностных устройств. Обоснован выбор элементной базы с учетом характеристик быстродействия (например, t_PD ТТЛ и КМОП серий) и нагрузочной способности (fan-out), что важно для практической реализации.

Наконец, мы обсудили методологию моделирования и верификации, подчеркнув их значение для выявления ошибок на ранних этапах проектирования. Рассмотрено использование языков описания аппаратуры (HDL) и специализированных средств функциональной верификации. Обзор современных САПР, таких как Multisim, PSpice, Altera Quartus и Xilinx ISE, а также отечественных аналогов, продемонстрировал спектр доступных инструментов для реализации подобных проектов.

В результате проделанной работы были получены все необходимые теоретические и проектные основы для создания функционально пригодного 8-разрядного микропроцессора деления. Дальнейшее развитие проекта может включать:

Увеличение разрядности: Расширение до 16- или 32-разрядного процессора, что потребует адаптации регистров и АЛУ.
Добавление новых операций: Интеграция умножения, извлечения корня или других арифметических функций.
Оптимизация быстродействия: Применение конвейерной обработки или более совершенных алгоритмов деления для дальнейшего повышения производительности.
Аппаратная реализация на ПЛИС: Практическая реализация и тестирование проекта на программируемых логических интегральных схемах с использованием САПР, таких как Altera Quartus или Xilinx Vivado.

Представленные в работе принципы и методы являются универсальными и могут быть применены для проектирования более сложных вычислительных устройств, формируя прочную основу для будущих разработок в области микропроцессорной техники. Разве не это является ключом к созданию по-настоящему инновационных решений?

Список использованной литературы

Калабеков, Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы : учебник для техникумов. Москва : Горячая линия — ТЕЛЕКОМ, 2002.
Бродин, В.Б., Калинин, А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. Москва : ЭКОМ, 2002.
Фрунзе, А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Москва : ООО «ИД СКИМЕН», 2002.
Электронная справочная система по языку программирования ASM51.
Проектирование и моделирование цифровых схем в Multisim шаг за шагом. Polimetro. URL: https://www.polimetro.com/ru/design-and-simulation-of-digital-circuits-in-multisim-step-by-step (дата обращения: 19.10.2025).
Тема 5.3 Деление двоичных чисел с фиксированной точкой Деление в цифро. ELSE. URL: https://www.else.education/ (дата обращения: 19.10.2025).
Средства функциональной верификации микропроцессоров. ИСП РАН. URL: https://www.ispras.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Multisim - Программное обеспечение для инженеров. National Instruments. URL: https://www.ni.com/ru-ru/shop/electronic-test-instrumentation/application-software-for-test-and-measurement/what-is-multisim.html (дата обращения: 19.10.2025).
Проектирование электронных устройств в пакете Multisim & Ultiboard. Компоненты и технологии. URL: https://www.kit-e.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Цифровые схемы в Multisim: проектирование и моделирование. Polimetro. URL: https://www.polimetro.com/ru/digital-circuits-in-multisim-design-and-simulation (дата обращения: 19.10.2025).
Аппаратная реализация деления многочленов над GF(2) - Конечные поля в телекоммуникационных приложениях. Теория и применение FEC, CRC, M-последовательносте. Studref.com. URL: https://studref.com/ (дата обращения: 19.10.2025).
Пакет проектирования цифровых устройств SUSIE. itWeek. URL: https://www.itweek.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Лабораторная работа №3. ЮЗГУ. URL: https://www.swsu.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Алгоритмы деления двоичных чисел с фиксированной запятой. Ozlib.com. URL: https://ozlib.com/ (дата обращения: 19.10.2025).
Синтез автомата Мура по граф-схеме. Циклопедия. URL: https://cyclowiki.org/ (дата обращения: 19.10.2025).
Микропроцессоры, Функции центрального процессора, Устройство микропроцессора - Аппаратные средства вычислительной техники. Ozlib.com. URL: https://ozlib.com/ (дата обращения: 19.10.2025).
1 Лекция 8. Проектирование комбинационных логических микросхем Цель л. Farabi University. URL: https://www.kaznu.kz/ (дата обращения: 19.10.2025).
Деление чисел с фиксированной запятой в прямом и дополнительном кодах. Интуит. URL: https://www.intuit.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Средства функциональной верификации микропроцессоров | Камкин | Труды Института системного программирования РАН. ИСП РАН. URL: https://www.ispras.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
научно-технический журнал - Электроника НТБ - Верификация микропроцессоров: борьба с ошибками и управление качеством. Электроника НТБ. URL: https://www.eltech.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Синтез комбинационных устройств. Ozlib.com. URL: https://ozlib.com/ (дата обращения: 19.10.2025).
Комбинационные схемы, сумматоры и умножители. Цифровая техника в радиосвязи. URL: https://digteh.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Проектирование конечных автоматов по методу OHE. Компоненты и технологии. URL: https://www.kit-e.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОПЕРАЦИИ НАХОЖДЕНИЯ ОСТАТКА ЦЕЛОЧИСЛЕННОГО ДЕЛЕНИЯ ДЛЯ ВХОДНЫХ ДАННЫХ БОЛЬШОЙ РАЗРЯДНОСТИ В МОДУЛЯРНОЙ АРИФМЕТИКЕ. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Обзор методов функционального онлайн- тестирования микропроцессоров. Mathnet.RU. URL: https://www.mathnet.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ. Томский политехнический университет. URL: https://www.tpu.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
Машинное деление целых двоичных чисел. Systo.ru. URL: https://systo.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).
СИНТЕЗ СИНХРОННОГО АВТОМАТА МУРА Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине. ЮЗГУ. URL: https://www.swsu.ru/ (дата обращения: 19.10.2025).