جزوه درسی

1. جزوه درسی معماری کامپیوتر • گرد آورنده: • دکترصابری مقدم

2. معماری کامپیوتر (1 معماری مجموعه دستورات(ISA) • مجموعه دستورات • مجموعه ثبات ها • فرمت دستورات (2معماری سخت افزار(HSA) • اجزاء سخت افزاری • حافظه نهان • چگونگی اجرای دستورات

3. ساختار اساسی کامپیوتر: ماشین های فن نیومن : ماشین های فن نیومن همان کامپیوتر هایی هستند که که ما با آنها آشنا هستیم این ماشین ها دارای 3 زیر سیستم است • یک CPU • سیستم حافظه اصلی • سیستمI/O

4. شکل1 - 1 ، اجزای اصلی یک کامپیوتر را نشان می دهد . حافظه اصلی c c CPU ثبات ها AlU واحد کنترل c I/O

5. اجزای اصلی CPU • واحد کنترل (CU) که عملیات کامپیوتر را کنترل می کند . • واحد محاسبه و منطق (ALU) که عملیات حسابی ، منطقی ، شیفت و ... را انجام می دهد • یک مجموعه ثبات ها که مقادیر مختلفی را در حین عملیات کامپیوتر ذخیره میکند. - در این درس فرض بر این است که دانشجو در مورد مطالب زیر آشنایی پیدا کرده است : • دیکدر ها • مالتی پلکسر ها • ثبات ها • شیفت رجیستر ها

6. انتقال ثبات ها و ریز عملیات : مقدمه : زبان انتقال ثبات RTL: یک سیستم دیجیتالی مجموعه ای از ماژول های (Module) سخت افزاری متصل به هم می باشند که در زمینه پردازش داده ها کار خاصی را انجام می دهند . ماژول ها از اجزایی چون رجیسترها (ثبات ها) ، دیکدر ها(رمز گشا ) ، عناصر حسابی و کنترل منطقی ساخته می شوند . ریز عملیات micro operation : عملیاتی که روی داده ها ذخیره شده و در ثبات ها صورت می گیرند را ریز عملیات می نامند . مثال هایی از ریز عملیات ها عبارتند از : شیفت(Shift) ،شمارش (count) ،پاک کردن (clear)، بار کردن (Load)

7. سازمان داخلی یک کامپیوتر دیجیتال به بهترین نحو توسط موارد زیر مشخص می شود : • مجموعه ثبات های آن و وظایف آن . • رشته ریز عملیات انجام شده روی اطلاعات باینری ذخیره شده در ثبات ها . • واحد کنترلی که موجب آغاز رشته ریز عملیات می شود . *نحوه بیان نمادین مورد استفاده برای بیان انتقال های ریز عملیات در بین رجیسترها زبان انتقال رجیستر(RTL) نامیده می شود . RTL(Register Transfer Language) سیستمی است برای بیان رشته ریز عملیات بین ثبات های یک ماژول به صورت نمادین .RTL از این زبان برای تسهیل روند طراحی سیستم های دیجیتالی استفاده می شود .

8. انتقال داده ها از یک رجیستر به رجیستر دیگر را انتقال رجیستر می نامند . ثبات های کامپیوتربا حروف بزرگ انگلیسی ( گاهی عددهایی به دنبال آنها ) برای نشان دادن کار ثبات مشخص می شوند . برای مثال : • ثبات آدرس حافظه (MAR=Memory Address Register) • برای ثبات شمارنده برنامه از (PC=Program Counter) استفاده می شود . • برای ثبات دستور العمل(IR=Instruction Register) استفاده می شود . • برای ثبات پردازنده استفاده می شود . • برای انتقال داده از یک ثبات به ثبات دیگر از R2 R1استفاده می شود . ( در این عبارت محتوای ثبات R1 در ثبات R2قرار می گیرد و پس از انتقال محتوای R1 تغییر نمی کند .)

9. اگر بخواهیم انتقال تحت شرایط کنترلی از پیش تعیین شده انجام شود به صورت زیر عمل می شود : If ( p = 1 ) then ( R2 R1 ) یک سیگنال کنترلی است.Pکه در آن تابع کنترلی یک متغییر بولی است برای مثال : P:R2 R1 P=y x+x *هریک از عبارات نوشته شده به زبان انتقال ثبات ها دلالت بر وجود یک ساختار سخت افزاری برای پیاده سازی انتقال دارد. را نشان میدهد.P=1را وقتی R2 R1شکل 1 انتقال از ثبات مدار کنترلی CLK n تعداد بیت شکل 2-1

10. از کاما(،) برای جدا کردن 2 یا چند عمل که همزمان انجام می شوند استفاده می شود مانند: T:R2 R1, R1 R2 عبارت بالا نشان دهنده عملی است که محتوای دو ثبات در طول یک پالس ساعت مشترک با یکدیگر تعویض می شوند مشروط بر اینکهT=1 باشد. مثال : عبارت شرطی زیر را در نظر بگیرید : if (T1 =1 ) then (R0 R1) else if (T2 =1 ) then (R0 R2) (aعبارت زبان انتقال رجیستر (RTL) این عیارت شرطی را بدست آورید . (bبلوک سخت افزاری آنرا رسم کنید . حل : (aدر عبارت شرطی فوق دو عمل انتقال داریم که این دو عمل با دو عبارت (RTL) زیر بیان می شود : • T1 : R0 R1 • T1 T2 :R0 R2

11. (b به کمک مالتی پلکسر 2به 1 و گیت های مناسب به صورت زیر رسم میشود.(RTL)بلوک دیاگرام شکل _3 مالتی پلکسر از and و OR تشکیل شده است و در اینجا چون 2 to 1 است یک خط ادرس دارد. شکل 4

12. را رسم کنید و شرح دهید.RTL زیر داده شده است بلوک دیاگرام این عبارت (RTL)زبان P+q : R1 R1 + R1,, R2R1

13. انتقال های حافظه ای : انتقال داده از رجیستر به حافظه یا حافظه به رجیستر را انتقال حافظه می نامند . ” و انتقال داده جدیدی را که در حافظهREADانتقال داده از یک کلمه حافظه به محیط خارج را ” می نامند.“write”ذخیره می شود را آدرس دهی و داده های حافظه به (AR = Address Register) اگر حافظه کامپیوتر با رجیستر به صورت روابط زیر Read و Writeمنتقل گردد عملیات (DR = Data Register) رجیستر مشخص می شود . Read : DR M[AR] انتخاب شده بهAR که توسط آدرس موجود در M این عبارت موجب انتقال داده از کلمه حافظه میگردد.DR Write : M[AR] R1 AR انتخاب شده توسط آدرس موجود در ,Mبه کلمه حافظه R1 عبارت فوق موجب انتقال داده از میگردد.

14. باس در انتقال داده : مسیر مشترکی که برای انتقال داده ها بین رجیستر ها و حافظه مورد نیاز است را باس ( گذرگاه ) می نامند . *یک راه ساخت یک سیستم گذرگاه مشترک با استفاده از مالتی پلکسر یا بافرهای سه حالته می باشد .

15. پیاده سازی باس با مالتی پلکسر و بافر سه حالته : خطی n بیتی برای تشکیل یک گذر گاه nثابت K به طور کلی یک سیستم گذرگاه راه دهی میکند. است. که همان تعداد بیت ها n تعداد مالتی پلکسرهای مورد نیاز برای ساخت گذرگاه برابر .خط داده را رهدهی میکندK باشد.زیرا K*1تدر هر ثبات است . اندازه هر مالتی پلکسر باید مثال : یک گذرگاه به طول 4 بیت و 4 رجیستر پیاده سازی کنید .

16. تکلیف 2 : شکل 3-4 صفحه 99 کتاب مانو شکل را رسم کرده و توضیح دهید .

17. بیت های هم ارزش در هر ثبات به ورودی های یک مولتی پلکسر متصل می شوند تا یک خط گذرگاه را تشکیل دهند مولتی پلکسر 0 چهار بیت 0 ثبات ها را راهدهی می کند ، مولتی پلکسر1 چهار بیت 1 ثبات ها را راهدهی می کند. مولتی پلکسر2 چهار بیت 2 ثبات ها را راهدهی می کند ، مولتی پلکسر 3 چهار بیت 3 ثبات ها را راهدهی می کند.دو خط انتخاب به انتخاب هر 4 مولتی پلکسر متصل اند . خطوط انتخاب چهار بیت یک ثبات را انتخاب کرده و آنها را به گذرگاه مشترک منتقل می نمایند. . شکل _6

18. ثبات A به شرطی انتخاب می شود که خط انتخاب صفر و یک برابر صفر باشد.زیرا خروجی این ثبات به ورودی داده ی مولتی پلکسر متصل شده است . • ثبات B به شرطی انتخاب می شود که S0 S1 =01 باشد . • ثبات C به شرطی انتخاب می شود که S0 S1 =10 باشد. • ثبات D به شرطی انتخاب می شود که S0 S1 =11 باشد . شکل _6

19. گیت سه حالته : جدول درستی :

20. باس با استفاده از مالتی پلکسر سه حالته : شکل _8

21. ریز عملیات : (1ریز عملیات انتقال ثبات : این نوع ریز عملیات محتوای اطلاعات را به هنگام انتقال از ثبات های مبدا به ثبات های مقصد تغییر نمی دهد . (2ریز عملیات حسابی : در این نوع ریز عملیات در ثبات ها عملیات پایه جمع و تفریق ، افزایش ، کاهش و شیفت انجام می شود. مانند : R3 R1 + R2ریز عمل جمع : R3 R1 - R2 ریز عمل تفریق : تفریق : R2بعلاوه مکمل2 از R1 R3 R1 + R2 +1

22. 3) ریز عملیات منطقی : عملیات منطقی که روی داده های رجیستر در یک پالس ساعت انجام می شود را ریز عملیات استفاده میشود.ANDو از ^ برای ORبرای Vمنطقی می نامند . در ریز عملیات منطقی از مثلا : P+q :R1 R2 + R3 , R4 R5V R6 به معنی R2و R3و علامت جمع بین ORیعنی P و q توجه : علامت + بین دو متغیر کنترلی است. OR همانR6 و R5بین Vعلامت,جمع است

23. مدار شکل زیر چهار عمل اصلی را اجرا می کند . شکل _9

24. 4) ریز عملیات شیفت : ریز عملیات شیفت برای انتقال یا جابجایی داده ها بکار می روند . سه نوع ریز عمل شیفت وجود دارد : عملیات شیفت منطقی : (a انجام میشود.(shL)و شیفت به چپ (shr)به دو صورت شیفت به راست R1 SHR R1 R2 SHL R2 R2 را یک بیت به راست و محتوای ثبات R1 این دو نوع ریز عمل هستند که محتوای ثبات را یک بیت به چپ شیفت می دهد . عملیات شیفت چرخشی :(b بیت های ثبات را از طریق دو انتها بدون از دست دادن هرگونه اطلاعات می چرخاند . این عمل با اتصال خروجی سری به ورودی سری ثبات تحقق می یابد . برای شیفت چرخشی به چپ و شیفت چرخشی به راست استفاده CIR و CIL از نماد های می کنند.

25. شیفت حسابی :(C ریز عملی است که یک عدد دودویی علامتدار را به چپ یا راست شیفت می دهد بدون اینکه به ترتیب برای شیفت حسابی به چپ و شیفت ASHR و ASHL علامت را تغییر دهد . از دو نماد حسابی به راست استفاده می کنند . شیفت حسابی به چپ یک عدد باینری علامت دار را در 2 ضرب می کند و یک شیفت حسابی به راست یک عدد باینری را به 2 تقسیم می کند . بیتی را نشان میدهد.n شکل زیر یک نمونه از ثبات در سمت چپ ترین مکان بیت علامت را نگه می دارد . Rn-1بیت کم ارزشترین بیت است.R0با ارزشترین بیت و Rn-2بیت بیت علامت را عوض نمی کند و همه بیت هارا ( از جمله بیت علامت ) را به سمت راستASHR شیفت می دهد .

26. :تکلیف رایک بیت به راست شیفت حسابی دهید و حاصل را به صورت هگز بنویسید. ACH عدد

27. بیت علامت باید حفظ شود و بیت قبل از بیت علامت از بین می رود . ASHLدر پس از شیفت عوض شود علامت معکوس می شود و این وقتی رخ می دهدRn-1اگر بیت علامت که ضرب در 2 سبب سرریز شود . سرریز در شیفت به چپ وقتی رخ می دهد که قبل از شیفت مساوی نباشند.Rn-2 و Rn-1 یک فیلیپ فلاپ سرریز برای کشف سرریز حاصل از شیفت حسابی به چپ مورد استفاده قرار می گیرد . Vs = Rn-1 Rn-2 باشد سر ریز وجودV=1 باشد یعنی سرریز وجود ندارد و اگر V=0 اگر دارد و پس از شیفت علامت عوض می شود .

28. :ALU واحد حساب و منطق در کامپیوترها به جای اینکه ثبات های مختلف ، ریز عملیات را مستقیما انجام دهند از تعدادی )ALU ثبات ذخیره ساز استفاده می شود که به واحدی به نام واحد حساب و منطق (واحد متصل است.این واحد یک مدار ترکیبی است که مجموعه ریز عملیات های حسابی و منطقی را انجام می دهد . ریز عمل شیفت اغلب در یک واحد جدا انجام می شود . در سه مرحله انجام میشود.ALU است. طراحی واحدALU گاهی واحد شیفت جزیی از واحد • مرحله اول : طراحی قسمت حسابی • مرحله دوم : طراحی قسمت منطقی • مرحله سوم : ترکیب قسمت های حسابی و منطقی

29. طراحی مدار حسابی : شکل روبه رو یک مدار حسابی را نشان می دهد. شکل 1 : یک مدار حسابی مدار گسترده شکل بالا در کتاب مانو شکل 9_4 نشان داده شده است.

30. شرح : جمع کننده اعمال می شود.Y به ورودی های B باشد،مکمل S0 S1 = 01اگر را تولید می کند.A-B خواهد بود.این عمل تفریق F =A+B+1 باشد،Cin = 1حال اگر خواهد شد.این عمل معادل تفریق بدون قرض کردنF =A+B باشد،Cin = 1اگر می باشد.A-B-1یعنی

31. تکلیف : ؟ F = A – 1در سطر متناظر با عدد دهدهی 6 در جدول بالا چرا جمع کننده تمامآ 1 وارد می شودY باشد به داخل ورودی های S0 S1 =11حل : اگر صورت گیرد F=A-1 است یعنی CIN=0تا عمل کاهش یک واحد وقتیکه دلیل این مطلب این است که عددی که تمامآ 1 است باید متمم 2 عدد را بدست آورد ( متمم 2 .A-1 با متمم 2 عدد 1 برابر است با A عدد 0001، عدد1111 می شود ) . جمع عدد

32. طراحی مدار منطقی : شکل_2

33. طراحی مدار منطقی واحد منطقی: انجام می گیرد و نتیجه هرRegریز عملیات منطقی عملیاتی هستند که روی تک تک بیت های بیت وابسته به بیت های قبل و بعد آن نیست . شکل – 2 یک طبقه از واحد منطقی را نشان می mux دهد که 4 ریز عمل اصلی منطقی را اجرا می کند . این مدار شامل 4 گیت و یک بار تکرار گردد و در کنارn دیاگرام شکل _2 باید , بیتیn می باشد برای طراحی مدار منطقی یکدیگر رسم شود. ترکیب مدار حسابی و مدار منطقی : شکل _3

35. ترکیب مدار منطقی و ریاضی : با ترکیب مدارهای ریاضی و منطقی طراحی شده در شکل های 1 و 2 در بالا می توان یک واحد به هردو مدار حسابی و منطقی اعمال شوند . Bi و Ai را طراحی کرد.ورودی های ALU نیز به طور مشترک برای هر دو مدار است و با آنها یک زیر عمل خاص S0 و S1متغییر های انتخاب انتخاب خاص انتخاب می شود . یک مالتی پلکسر 4←1 خروجی مدار حسابی یا مدار منطقی را بر می شگیرن . هستند. جدول – 2 ، جدول درستی مدار شکل – 3 است .S2 و S3,Mux خطوط انتخاب در این را لیست نموده است . 8 تای اول اعمال حسابی هستند (جدول -1 راALUاین جدول 14 عمل انتخاب می شوند.S3 S2 = 00 ببینید) و توسط انتخاب می شوند. ورودی نقلی در اعمال منطقیS3 S2 = 014عمل بعدی منطقی هستند و توسط (حالت بی اهمیت ) مشخص شده است و 2 عمل آخر عمل شیفتXهیچ اثری ندارد و با علامت انتخاب می شوند . در این حالت ورودی های دیگر تاثیری بر شیفت S3 S2 =10,هستند که با 11 ندارد.

36. طراحی یک کامپیوتر پایه : در این قسمت می خواهیم اجزا یک کامپیوتر پایه و ساده را بررسی کنیم . هر کامپیوتر دارای یک ALU خود شامل تعدادی ثبات ، CPU می باشد که I/Oحافظه اصلی و یک پردازنده مرکزی و و واحد کنترل است . کامپیوتر پایه فرضی ما دارای یک حافظه 16×4096 است یعنی 4096 کلمه 16 بیتی دارد . 16*4096 12 bit 16b data آدرس

37. تعاریف : • دستورالعمل کامپیوتر یک مجموعه کد های باینری است که رشته ای از ریز عملیات را برای کامپیوتر مشخص می کند . • کد دستورالعمل به همراه داده در حافظه ذخیره می شود . کد دستورالعمل معمولا به چند فیلد تقسیم می شود مهم ترین فیلدهای فرمت دستورالعمل به شرح زیر است . • کد عملوند –OPCode: نوع عملیاتی که توسط دستورالعمل ها انجام می گیرد را مشخص می کنیم . این فیلد یک مجموعه بیت اسکی که عملیات مختلف پردازنده مانند جمع ، تفریق ، مکمل ، شیفت و ... را تعریف می کند . تعداد بیت هایOPCodeبه تعداد کل دستورات ماشین بستگی دارد . اگر ماشین دارایn2یا کمتر دستور باشد کد عملیاتی باید n بیتی باشد . • فیلد آدرس : این فیلد آدرس حافظه با کد برای انتخاب یک REG پردازنده است . • فیلد MODE : این فیلدروشهای آدرس دهی OPERAND دستورالعمل را مشخص می کند . • آدرس دهی غیر مستقیم : شکل – 2 فرمت فریم دستورالعمل را نشان می دهد . شکل _2

38. آدرس دهی مستقیم شکل _3

39. آدرس دهی غیر مستقیم در سه شکل بالا دستور ، سه بیت کد عملیات ، 12 بیت آدرس و یک بیت مربوط به روش آدرس دهی مستقیم است یا غیر مستقیم است کد با ( INDIRECT ) برای آدرس دهی مستقیم I=0 است . این عملوند در آدرس 30 از حافظه قرار دارد I=0 است. پس دستور از نوع آدرس دهی مستقیم است . کد عمل دستور ADD رامشخصمی کند و بخش آدرس یک عدد باینری با 300 می باشد . واحد کنترل عملوند را در آدرس 300 پیدا می کند و آن را با محتویات AC جمع می کند عملوند + AC ←AC در شکل سوم ، I=1 است پس آدرس دهی غیر مستقیم است . کنترل به آدرس 300 مراجعه میکند تا آدرس عملوند را بیابد که در این جا آدرس عملوند 400 است . در آدرس دهی مستقیم فیلد آدرس را آدرس موثر می نامند . در حالت غیر مستقیم فیلد آدرس ، فیلد آدرس آدرس عملوند است . در این حالت آدرس موثر 400 است .

40. ثبات های کامپیوتر پایه : :(Program Counter ) (شمارنده برنامه) Pc * ثبات آدرس دستوراتی که باید اجرا شوند در این ثبات ذخیره شده اند پس این ثبات 12 بیتی است . :ثبات داده است و عملوندی که از حافظه خوانده (Memory Data Register) MDR یا DR * میشوند را در خود نگه میدارد این ثبات 16 بیتی است . (ثبات دستور العمل ): : دستورات در داخل حافظه قرار دارند و برای اینکه اجرا شوند باید از IR * قرار گیرند . این ثبات 16 بیتی است . IR حافظه خوانده شوند و در ثبات دستورالعمل ثبات همه منظوره است . بعضی از دستورات مانند جمع ، همیشه :(Accumulator) AC ثبات * قرار می گیرند مثلا در این ماشین AC است و حاصل نیز در AC یکی از عملوند هایشان در حافظه را با محتویات خانه ای از ACنوشته می شود . این دستور ADD X دستور جمع به صورت قرار میدهد. AC است جمع می کند و حاصل را در X که آدرس اش این ثبات: AC←AC+M[x] که آدرس X,ADD[X] آدرس عملوند را نشان می دهد مثلا در دستور :(ADDRESS REG) AR * جمع DR باAC قرار میگیرد و سپس DRدر M[X ] قرار می گیرد و سپس ARعملوند است در منتقل میگردد.این ثبات 16 بیتی است.ACمیشود و حاصل به

41. : برای ذخیره داده های موقت بکار می رود . این ثبات 16 بیتی است .(Temporary REG) TR* (ثبات ورودی): کاراکتر ورودی را نگه می دارد . این ثبات 8 بیتی است . INPR * (ثبات خروجی):کاراکتر را نگه میدارد.8 بیتی است. OUTR * این کامپیوتر دارای 8 ثبات ، 1 حافظه و واحد کنترل است . ثبات ها و حافظه از طریق 1 گذرگاه مشترک بهم متصل اند .

43. در شکل – 1 اتصالات ثبات ها و حافظه های کامپیوتر مورد نظر به باس نشان داده شده است مقادیر دهدهی که در امتداد هر خروجی نوشته شده است معادل عدد دودویی لازم را برای عدد 3 نوشته شده است . DRانتخاب نشان می دهد. برای مثال در کنار خروجی باشد . برای اینکه S2 S1S0 = 011 هنگامی روی گذرگاه قرار می گیرد که DR لذا 16 بیت خروجی یک ثبات محتویات خود را روی باس قرار دهد باید انتخاب شود و برای اینکه محتویات باس به یک (بارکردن ) آن ثبات باید فعال گردد. برای اینکه حافظه روی باس قرار دهد LD ثبات وارد شود مشخص شود . AR داده شده و آدرس توسط Read فرمان S2 S1S0 = 111 باید انتخاب شود مشخصAR فعال شده تا آدرس توسط Write به حافظه منتقل شود باید BUSبرای اینکه محتویات در یک کلاک انجام نمی شود یعنی یک ریز عمل AC←M[AR] شود . با توجه به شکل -1 عمل از طریق AC←DR انجام شود و سپس ریز عملDR←M[AR] نیست بلکه ابتدا باید یک ریز عمل انجام می شود.ALU

44. سیکل دستورالعمل : برنامه ای که در واحد حافظه ذخیره شده استاز دنباله ای از دستورالعمل ها تشکیل شده است که این برنامه طی سیکل های اجرایی دستورالعمل اجرا می گردد . مراحل اجرای دستور را سیکل دستور می نامند . در این ماشین سیکل دستور شامل مراحل زیر است: فراخوانی دستور از حافظه (FETCH) واکشی _1 دستور(رمزگشائی دستور) (DECODE)2 _ ترجمه 3_ پیدا کردن آدرس موثر برای دستورات غیر مستقیم 4_ اجرای دستور این سیکل ، ترتیبی است و نیاز به زمان بندی دارد برای زمان بندی می توان از یک شمارنده 4 تولید کرد توجه کنید که T15 تا T0بیتی و 1 دیکدر 16→4 استفاده کرد و 16 سیگنال زمانی سیکل دستور نوشته شده شامل 4 مرحله کلی است وهرمرحله خود ممکن است به چند کلاک نیاز داشته باشد . برای ترجمه دستورات نیز می توان از یک دیکدر 8→3 استفاده کرد و کرد . شکل – 3 سخت افزار مربوط به زمان بندی را نشان می دهد.DECODE راOPCode

45. ثبات دستورالعمل شکل _2

46. انواع دستورات : درشکل های زیر دستورات مختلف ماشین دیده می شود این دستورات 3 نوع اند : • دستورات حافظه ای • دستورات ثباتی • دستورات I/O

47. دستورات ثباتی :

48. :I/Oدستورات

49. تکلیف : فلوچارت شکل 15-5 را بطور کامل شرح دهید . صفحه 158

50. : (CENTRAL PROCESSING UNIT)CPUواحد پردازش مرکزی بخشی از کامپیوتر است که وظیفه پردازش داده ها به عهده آن است . CPU :CPUاجزا اصلی • واحدکنترل • ثبات ها • واحدALU شکل _ 1 اجزای اصلی CPU Register Control unit ALU