3.1. Пристрій управління

Призначення пристрою управління (ПУ): вироблення сукупності сигналів управління, синхронізація усіх пристроїв комп’ютера в процесі виконання обчислювань.

Рис. 3.1. – Склад пристрою управління.

3.1.1 Склад пристрою управління

До складу ПУ входять:

• блок управління командами (БУК).

• блок управління операціями (БУО).

• датчик тактів (ДТ).

• розподільник імпульсів (РІ).

Вироблення сигналів пристрою управління здійснюється за допомогою спеціальних схем (ПУ з жорсткою логікою) або за допомогою кодів команд, які зчитуються, зі спеціальної пам’яті (ПУ з гнучкою логікою). Частіше всього у першому випадку БУО застосовується мікропрограмний автомат управління МПА.

Рис. 3.1. – Склад пристрою управління.

БУК призначений виконувати такі завдання: вибрати з ОП код поточної команди за її адресою, зберігати її протягом всього часу її реалізації, здійснювати програмування полів команди, що надійшла. Операційне поле при цьому передаватиметься з БУК в БУО, в якому формуватимуться адреси операндів, що беруть участь в даній операції. Алгоритм формування адрес залежатиме від використаної адресації.

До складу БУК входять:

• лічильник команд (програмний лічильник), в якому зберігається номер поточної команди, по цьому номеру з ОП вибиратиметься сама команда;

• регістр команд, в якому зберігається поточна команда;

• вузол формування дійсних адрес операнда;

• вузол визначення адреси наступної команди.

3.1.2. Пу з жорсткою логікою

У ПУ з жорсткою логікою найчастіше використовуються МПА. Кожен кінцевий автомат описується алфавітом вхідних сигналів U = {u₁,…,u_k}, алфавітом станів A = {a₁,..,a_l}, алфавітом вихідних станів V = {v₁,..,v_m} і функціями A (t+1) = [A(t), U(t)] і виходу V (t+1) = [A(t), U(t)].

Дані функції відповідають автомату Мілі. У автоматі Мура V(t+1)=[A(t)]. Автомат задається в табличній формі: таблиця переходів і таблиця виходів (рис. 3.2 та рис. 3.3).

Рис. 3.2. - Автомат Мілі. Рис. 3.3. - Автомат Мура.

Але його також можна представити в вигляді орієнтованого графу. Вершини - це стани. Дуги - це переходи під впливом керуючих сигналів. Будь-який кінцевий автомат будується на базі елементарних. Елементарні автомати - це прості типи тригерів. Наприклад, D - тригер - елементарний автомат (2 стани, 2 виходи, 1 вхід); RS - тригер (2 стани, 2 виходи, 2 входи).

У зв'язку з тим, що інтегральні мікросхеми - потенційні структури, зручніше застосовувати в разі використання такої елементної бази - автомати Мура, оскільки вони менш схильні до впливу “гонок”. Якщо використовувати при синтезі МПА автомати Мілі, то такі МПА матимуть менше станів, але в них треба використовувати складніші схеми отримання вихідних сигналів.

Синтез МПА складається з наступних кроків:

1. Вибір алгоритму.

2. Складання структурної схеми по ньому.

3. Складання повного переліку керуючих сигналів МПА (v_j).

4. Складання схеми мікропрограми.

5. Розмітка отриманої мікропрограми за певним правилом, яка залежить від типу МПА.

6. Складання графа МПА.

7. Визначення числа станів, способу кодування по отриманому графові, визначення їх числа за типом тригерів.

8. Складання узагальненої таблиці переходів МПА.

9. Користуючись отриманою таблицею, записують логічні вирази, які описують правила перемикання тригерів автомата і логічні вирази вихідних сигналів автомата. Отримані вирази мінімізують.

10. Будують МПА Мура.

Наприклад, побудуємо автомат Мура, граф переходів якого показаний на рис. 3.4.

Рис. 3.4. - Синтез МПА на базі автомата Мура.

Нехай для побудови МПА використовуватимемо тригер D з динамічним управлінням. Можна використовувати лише ті тригери, які мають внутрішню затримку, оскільки наступний стан автомата залежить від попереднього. Тригер D з динамічним управлінням має затримку. Всі двотактні тригери мають також затримку. Кількість таких тригерів визначається по формулі n = log₂k, де - k - кількість станів. Вибравши кількість тригерів, визначимо стани автомата при звичайному двійковому кодуванні (табл. 3.1).

Таблиця 3.1 – Стани автомата

Можливо також застосовувати способи ефективного кодування, при якому перехід в наступний стан пов'язаний з мінімальним числом перемикань тригерів. При звичайному двійковому кодуванні об’єднана таблиця переходів та виходів автомата має вигляд, який наведено у табл. 3.2.

Таблиця 3.2 – Способи двійкового кодування станів

Даний автомат знаходиться в початковому стані, він не виробляє ніяких керуючих сигналів v_j до тих пір, поки не з'явиться зовнішній сигнал u₁ (рис. 3.5.).

Рис. 3.5. – Приклад МПА.

Він є сигналом початку операції. При цьому буде вироблена вся послідовність вихідних сигналів v₁,..,v₆ і автомат знову повернеться в початковий стан, наступна послідовність буде вироблена після наступного зовнішнього сигналу. Швидкість МПА визначається сигналом С, тривалість якого залежить від тривалості найдовшої мікрооперації.