A_O_Melnik_Arkhitektura_komp_39_yuteriv

284

Відомі два основні методи побудови логіки формування керуючих сигналів. Перший з них виражається в тому, що для кожної команди процесора існує набір логічних схем, які в потрібних тактах збуджують відповідні сигнали керування. Такий принцип керу­ вання одержав назву "жорсткої" або "запаяної" логіки.

Другий метод, який дістав назву принципу мікропрограмного керування, передбачає формування керуючих сигналів за вмістом регістра мікрокоманд, в який мікрокоманди записуються із пам'яті мікрокоманд. Шляхом послідовного зчитування мікрокоманд із пам'яті в цей регістр організується потрібна послідовність керуючих сигналів.

Крім пристрою керування процесора в комп'ютері можуть використовуватись при­ строї керування вузлами комп'ютера, наприклад, пристрої керування операційними пристроями АЛП, пристрій керування процесора введення-виведення і т. д. Принципи побудови вказаних пристроїв є ідентичними.

8.2.Пристрій керування з жорсткою логікою

8.2.1. Структура пристрою керування з жорсткою логікою

Типова структурна схема пристрою керування з жорсткою логікою (в англійській термінології hardwired control) представлена на рис. 8.2.

До складу пристрою керування входить блок синхроімпульсів, який генерує тактові імпульси ТІ, потрібні для синхронізації роботи пристрою керування, лічильник тактів, в якому зберігається номер виконуваного в даний час такту, дешифратор коду опера­ ції та дешифратор тактів, які перетворюють двійковий код в однорядний, логічні схеми формування сигналів керування. Дешифратор коду операції по коду операції із регістра команд РгК формує сигнал активізації мікрооперації МО на відповідній шині. З кожним тактом до лічильника тактів додається +1 сигналом із блоку синхроімпульсів. Дешифра­ тор тактів формує сигнали, відповідні поточному такту.

Логічні схеми формування сигналів керування відповідно до сигналів із дешифрато­ ра коду операції, дешифратора тактів та кодів умов і кодів станів із регістра станів фор­ мують сигнали керування для виконання необхідних в даному такті мікрооперацій.

285

Окрім наведених вище компонентів пристрою керування, до його складу входить контролер послідовності сигналів керування, який отримує тактові імпульси з блоку синхроімпульсів, а також код режиму роботи комп'ютера. Він має два окремих режими роботи: звичайний режим та режим запуску комп'ютера. Контролер послідовності сиг­ налів керування є ядром пристрою керування. П р и н ц и п и його роботи будуть наведені далі при розгляді пристрою мікропрограмного керування.

8.2.2. Методи проектування пристрою керування з жорсткою логікою

Методи проектування пристрою керування з жорсткою логікою, які застосовуються на практиці, часто є спеціально створеними для побудови конкретного пристрою і ев­ ристичними за природою, тому не можуть легко бути формалізованими. Для ілюстрації найбільш широко застосовуваних підходів, розглянемо три методи:

•Перший метод - це стандартний алгоритмічний підхід до проектування послідов­

ні ш и х схем. Його називають методом таблиць станів, оскільки передбачає побудову та­ блиць станів пристрою керування.

•Другий метод є евристичним і ґрунтується на використанні тактованих елементів

часової затримки для побудови часової діаграми керуючих сигналів.

• Спорідненим з другим є третій метод, який передбачає використання лічильників для побудови часової діаграми керуючих сигналів.

Перший метод є найбільш формалізованим і дозволяє застосувати методи мінімі­ зації кількості вентилів та елементів пам'яті. Два інші методи є менш формалізовані і передбачають синтез пристрою керування з часової діаграми сигналів керування.

8.2.3. Пристрій керування на основі таблиць станів

8.2.3.1. Абстрактні автомати

Метод таблиць станів передбачає розгляд пристрою керування як цифрового авто­ мату, тобто логічного пристрою, який забезпечує формування сигналів керування за відповідним алгоритмом з врахуванням своїх внутрішніх станів.

Цифровий автомат можна подати у вигляді його математичної (абстрактної) і струк­ турної моделей, які відповідно називаються абстрактним та структурним автоматами. Абстрактну модель використовують на першому етапі проектування, коли описують функціонування автомату, тобто правила переробки вхідної інформації у вихідну. На цьому етапі автомат подається у вигляді "чорної скриньки". Розгляд абстрактної моде­ лі цифрового автомату дозволяє проводити його попередню оптимізацію ще до етапу структурного синтезу. Структурну модель застосовують для побудови схеми цифрового автомату.

Абстрактним автоматом (математичною моделлю цифрового автомату) називають сукупність з п'яти об'єктів А = {X, 5", 7,8, А,}. Де:

X = {х.}, і є 1,т - множина вхідних сигналів (вхідний алфавіт);

Б = /5у/, у є 1, п - множина станів (внутрішніх) автомату (алфавіт станів автомату);

У = {ук}, к є 1,/ - множина вихідних сигналів (вихідний алфавіт);

288

8.2.3.2. Мови опису функціонування автоматів

Для того, щоб задати абстрактний автомат, потрібно задати всі п'ять об'єктів

{У , 5 , У , 6 Д } .

Мн о ж и н и X, 5, У задаються як звичайні множини в математиці, наприклад, простим перелічуванням всіх її елементів, тому їх задання на практиці не викликає ніяких труд­ нощів.

Найбільш трудомістким є задання функцій 8 Д , які власне і визначають алгоритм функціонування автомату. Для опису алгоритму функціонування автомату, тобто для задання § Д , існують різні засоби, які часто називають мовами. Існують стандартні та початкові мови. Стандартні мови задають автомат одним із трьох способів: матрично (таблично), графічно, аналітично. До початкових мов відносять первісні таблиці вклю­ чень, логічні схеми алгоритмів і граф-схеми алгоритмів. Стандартні мови частіше засто­ совуються для задання автоматів загального виду, в той же час початкові мови знайшли широке застосування для часткових автоматів.

Мова матриць (таблиць) передбачає наявність двох таблиць: таблиці переходів і та­ блиці виходів, або однієї таблиці з'єднань.

Таблиця переходів задає відображення X х 5 —^5, тобто задає функцію переходів 8. Приклад. Нехай на автомат поступають вхідні сигнали, які мають три букви, та нехай

З першого рядка табл. 8.1 видно, що перебуваючи в стані 81 при поступленні вхідно­ го сигналу XI автомат не змінює свого стану, так само як і при поступленні вхідного сиг­ налу ХЗ, а при поступленні вхідного сигналу Х2 він перейде в стан Б2. Подібним чином можна провести аналіз інших рядків таблиці.

Якщо автомат частковий, то для пар (х{, $^), для яких стан не визначений, в клітинці таблиці ставиться прочерк. Як видно, вигляд таблиці переходів не залежить від того, який тип автомату використовується: Мілі, Мура чи С-автомат.

Таблиці виходів цих автоматів відрізняються.

У клітинці таблиці виходів автомату Мілі ставиться вихідний сигнал у , який фор­ мує автомат Мілі, що знаходиться в стані 5, і на вході якого діє сигнал х.. Приклад по­ вністю визначеного автомату Мілі з вхідним алфавітом X = {х,, х2, х3}, алфавітом станів; 5 = /і,, 52 , 53 , $4} та вихідним алфавітом У = {у,, у2, у^ наведено в табл. 8.2.

289

З першого рядка табл. 8.2 видно, що перебуваючи в стані 51 при поступленні вхідного сигналу XI на виході автомату буде сформовано сигнал У1, так само, як і при поступлен­ ні вхідного сигналу Х2, а при поступленні вхідного сигналу ХЗ на виході автомату буде сформовано сигнал У2. Подібним чином можна провести аналіз інших рядків таблиці.

В таблиці виходів повністю визначеного автомату Мура кожному стану автомату призначається відповідний вихідний сигнал у . Приклад повністю визначеного автомату

З табл. 8.3 видно, що стану Б1 та 52 автомату відповідає вихідний сигнал У1, стану БЗ відповідає вихідний сигнал У2, а стану відцовідає вихідний сигнал УЗ.

С-автомат буде задаватися двома таблицями виходів, перша з яких відповідає табли­ ці виходів автомату Мілі, а друга - таблиці автомату Мура.

На практиці таблиці переходів і таблиці виходів часто суміщаються в одну суміщену таблицю. Табл. 8.4 є суміщеною таблицею автомату Мілі для вищенаведеного прикладу.

З першого рядка табл. 8.4 видно, що перебуваючи в стані Б1 при поступленні вхідно­ го сигналу XI автомат залишиться в тому ж стані, а на виході автомату буде сформовано сигнал У1, при поступленні вхідного сигналу Х2 автомат перейде в стан 82, а на виході автомату буде сформовано сигнал У1, при поступленні вхідного сигналу ХЗ автомат за­ лишиться в тому ж стані, а на виході автомату буде сформовано сигнал У2. Подібним чином можна провести аналіз інших рядків таблиці.

290

Як вже зазначилось вище, можна задати керуючий автомат за допомогою єдиної та­ блиці з'єднань. Таблиця з'єднань абстрактного автомату є квадратною і містить стільки стовпців та рядків, скільки різних станів має даний автомат. В клітинці ставиться вхід­ ний сигнал, під дією якого відбувається перехід автомату зі стану в стан. Якщо матри­ цею з'єднань задається автомат Мілі, то разом з вхідним сигналом вказується вихідний сигнал, який автомат Мілі видає, виконуючи перехід (табл. 8.5).

З першого рядка табл. 8.5 видно, що автомат залишається в тому ж стані 81 при посту­ пленні вхідних сигналів XI та ХЗ, і при цьому на його виході будуть відповідно сигнали У1, та У2, та переходить в стан 82 при поступленні вхідного сигналу Х2, і при цьому на його виході буде сигнал У1. Подібним чином можна провести аналіз інших рядків таблиці.

Для автомату Мура в матриці з'єднань вихідні сигнали ставляться біля станів авто­ мату, які ідентифікують рядки матриці.

Мова графіки передбачає застосування для задания абстрактного автомату орієнтова­ ного графа. Стан автомату зображається вершинами графа, а переходи між станами - ду­ гами між відповідними вершинами. При цьому конкретній дузі графа приписується буква х, вхідного алфавіту автомату, яка вказує на перехід при поступленні цього сигналу.

Якщо граф зображає автомат Мілі (рис. 8.7), то вихідні сигнали автомату ставляться на дугах графа (згідно з таблицею виходів) разом з буквою вхідного сигналу. Тут в якості прикладу взято автомат Мілі, описаний в табл. 8.4.

Рис .8.7. Граф автомату Мілі

Якщо графом зображається автомат Мура (рис. 8.8), то вихідні сигнали автомату ставляться біля вершини графа відповідно до таблиці виходів автомату (табл. 8.3).

Рис. 8.8. Граф автомату Мура

Мова аналітичних виразів передбачає задання автомату шляхом запису для кожного стану автомату відображення Fsj, яке містить набори з трьох об'єктів sn,х( ук, причому тільки таких, які вказують на наявність переходу автомату зі стану в стан sn при дії вхідного сигналу х, і видачі при цьому вихідного сигналу у к .

Приклад:

8.2.3.3. Структурний синтез цифрових автоматів

Процес одержання структурної схеми, яка відображає склад логічних елементів та їхні зв'язки, називають структурним синтезом. В загальному випадку задача структур­ ного синтезу зводиться до композиції деяких простих автоматів, тобто до пошуку спо­ собу з'єднань цих автоматів між собою. Як правило, ефективно розв'язується задача структурного синтезу тільки для певного набору простих автоматів певного виду - еле­ ментарних автоматів, які складаються з елементів пам'яті, що мають більше одного стій­ кого стану (елементарних автоматів з пам'яттю) та комбінаційних схем (елементарних автоматів без пам'яті).

Метод синтезу, в основу якого покладені елементарні автомати, отримав назву ка­ нонічного методу структурного синтезу автоматів. Загальна структура елементарного автомату, що складається з пам'яті та комбінаційної схеми, представлена на рис. 8.9.