Методические указания, страница 2

1.3.4. Составление операционного описания

Операционное описание синтезируемого устройства составляется на учебном языке операционного описания (УЯОО), разработанным на каф. 403.

В ходе операционного описания производят запись алгоритма в терминах операций (преобразований: доступных в операционных регистровых элементах или в специально синтезируемых операционных комбинационных элементах) и переходах.

При составлении операционного описания могут быть выявлены неточности в решающем алгоритме, которые потребуют либо изменения последовательности микрокоманд, либо включения новых микрокоманд. В этом случае исходный алгоритм обязательно исправляется. Таким образом, должно строго соблюдаться однозначное соответствие схемы алгоритма и операционного описания. Если замечено хоть малейшее отклонение одного от другого, то соответствие должно быть восста­новлено изменением либо схемы алгоритма, либо операционного описа­ния.

При переходе от схемы алгоритма к операционному описанию не­обходимо учитывать параллельность протекавших в устройстве процес­сов. Это обстоятельство заставляет особенно внимательно подходить к последовательной записи одновременно реализуемых операторов.

Для упрощения управляющего автомата выделяют совместные, условно-эквивалентные и эквивалентные по управлению микрокоманды. Операционное описание переписывают в терминах эквивалентных управ­ляющих сигналов, учитывая, что условно-эквивалентные сигналы фор­мируются непосредственно в операционном автомате.

Микропрограмма состоит из трех основных частей: заго­ловка, описания переменных и процедуры.

Заголовок микропрограммы представляет собой одно предложение, начинающееся ключевым словом МИКРОПРОГРАММА, далее следует имя операции, реализуемой данной микропрограммой. Имя может содержать произвольное число символов любого типа (первый символ обязательно буква), кроме скобок.

Описание переменных в микропрограмме содержит ключевые слова (ПЕРЕМЕННЫЕ, ВНЕШНИЕ, ВНУТРЕННИЕ) и имеет следующую структуру:

ПЕРЕМЕННЫЕ

ВНЕШНИЕ < список переменных >

ВНУТРЕННИЕ

ВЫХОДНЫЕ

Строка ВНЕШНИЕ содержит список описаний всех внешних перемен­ных. Так, для рассматриваемого примера эта строка может иметь вид:

ВНЕШНИЕ А{0:31}, В{0:31}, С{0:31}.

Строка ВНУТРЕННИЕ содержит список описаний всех внутренних переменных микропрограммы. Описываемый язык не допускает неявного задания переменных. Задание каждой переменной определяет некоторый операционный элемент, содержащий регистр. Таким образом, задание внутренних переменных по - существу является заданием всех регист­ров операционного устройства, участвующих в выполнении микропро­граммы. Аналогично строка ВНЕШНИЕ для данной микропрограммы опре­деляет используемые регистры внешней среды.

Процедурная часть микропрограммы начинается ключевым словом ПРОЦЕДУРА, после которого со следующей строки начинается построч­ная запись микроопераций. Последним предложением процедуры является предложение КОНЕЦ.

Процедура содержит микрооперации двух типов: операционные и управляющие. Все операционные микрооперации записываются по прави­лам, приведенным в работе [4]. При этом допускается использование микроопераций, выполняемых только в операционных элементах регист­рового типа. Преобразования, выполняемые в комбинационных операци­онных элементах, могут включаться только в выражения в правых час­тях предложений присваивания микроопераций в регистровых операци­онных элементах. Это ограничение означает необходимость фиксации (запоминания) результата любой микрооперации, выполняемой в опера­ционном устройстве. Вся совокупность операционных микроопераций, входящих в процедурную часть микропрограммы, должна использовать весь список описанных ранее внутренних переменных, определяя вмес­те с тем все связи между операционными элементами регистрового и комбинационного типов. Внешние входные переменные - аргументы мик­ропрограммы могут встречаться только в правых частях микроопераций. Внешние выходные переменные - результаты микропрограммы должны определяться в левых частях микроопераций.

Управляющие микрооперации предназначаются для управления хо­дом выполнения микропрограммы. Они включают в себя предложения двух основных типов: безусловной и условной передачи управления. Управление передается по метке микрооперации. Метка является мне­моническим именем микрооперации и семантически отождествляется с управляющим сигналом или с микрокомандой.

Микрооперация безусловной передачи управления имеет вид:

: ИДТИ К

Первая метка в определяемой строке является именем самой мик­рооперации безусловной передачи управления, а завершающая метка - меткой (именем) той микрооперации, которой передается управление.

Микрооперации условной передачи управления имеют две формы. Первая из них, связанная с передачей управления на одно из двух возможных направлений выполнения микропрограммы, имеет вид

: ЕСЛИ ( ), ТО , ИНАЧЕ

Как и в предыдущем случае, первая метка в строке - мнемони­ческое имя самой микрооперация условной передачи управления. Ло­гическая переменная, следующая за ЕСЛИ, является именем признака, который может принимать значения 1 или 0. Этот признак должен быть определен до выполнения настоящей микрооперации и должен храниться в соответствующем одноразрядном регистре - регистре признака, именем которого является имя этой логической переменной. Если признак равен 1, то управление передается микрокоманде с меткой, располо­женной между словами ТО и ИНАЧЕ. Если же признак равен 0, то управ­ление передается микрооперации с меткой, следующей за словом ИНАЧЕ.

Если слово ИНАЧЕ не указано то управление передается на следующую строку микропрограммы.

Операционное описание синтезируемого устройства выполняют в двух вариантах: в исходном виде (при записи алгоритма на языке УЯОО каждая микрооперация записывается в отдельную строчку) и в преобразованном виде (микрооперации преобразуются с учетом эквивалентности и совместимости).

Преобразования микроопераций операционного типа

При построении реальных устройств многие микрооперации могут выполняться параллельно, т.е. одновременно. Если две или несколько микроопераций всегда выполняются од­новременно, то они являются эквивалентными по отношению к единой микрокоманде, вызывающей их выполнение. Обязательными условиями эквивалентности являются:

1. Результат выполнения микрооперации не используется как операнд для выполнения эквивалентной ей микрооперации, т.е. микро­операция не содержит в себе цепочки последовательных вычислений. Это означает, что внутри некоторого сегмента микропрограммы экви­валентные микрооперации могут менять порядок своего следования.

2. Совокупность эквивалентных микроопераций всегда расположе­на между микрооперациями условной передачи управления.

3. В совокупности эквивалентных микроопераций передача управ­ления может осуществляться только в начало (первой микрооперации).

Установление эквивалентности позволяет уменьшить количество микрокоманд (управляющих сигналов) и осуществить управление не­сколькими регистровыми ОЭ по одному проводу. Эквивалентные микро­операции записываются в одну строчку, для них генерируется единый управляющий сигнал. Имя этого сигнала (имя микрооперации) может строиться по именам составляющих его эквивалентных сигналов, одна­ко допускается введение нового имени, желательно подчеркивающего факт эквивалентности.

Пусть следующие три микрооперации являются эквивалентными:

У1 : F1 = F1(A1)

У2 : F2 = F2(A2)

УЗ : F3 = F3(A3)

Тогда их можно записать в одну общую строчку:

У123 : F1 = F1(A1); F2=F2(A2); F3 = F3(A3)

или при У1 = У2 = У3 = УЭ

УЭ : F1 = F1(A1) ; F2 = F2(A2); F3 = F3(A3)

Если две или несколько микроопераций в некоторых сегментах микропрограммы могут выполняться одновременно, а в других сегмен­тах обязательно выполняются раздельно, то они являются совместимы­ми. Другими словами, совместимость может рассматриваться как "местная эквивалентность", что влечет за собой выполнение трех рассмотренных условий. Установление совместимости не уменьшает ко­личества микрокоманд - количество управляющих сигналов остается прежним, однако позволяет некоторые операции выполнять одновремен­но, что положительно сказывается на увеличении быстродействия ОУ.

Совместимые операции также записываются в одну строчку, одна­ко в отличие от эквивалентных операций все управляющие сигналы со­храняются.

Пусть, например, на некотором сегменте микропрограммы уста­новлена совместимость двух микроопераций:

У1 : F1 = F1(A1)

У2 : F2 = F2 (А2)

тогда можно записать

У1, У2 : F1 = F1 (А1) ; F2 = F2(A2)

Если микрооперации всегда выполняются раздельно, то они явля­ются несовместимыми. Это соответствует случаю, когда либо резуль­тат выполнения предыдущей микрооперации используется для выполне­ния следующей, либо микрооперации разделены микрооперацией услов­ной передачи управления, либо на следующую микрооперацию передает­ся управление по метке.

Тем не менее, и здесь возможна оптимизация ОУ. Если две или несколько микроопераций образуют цепочку последовательных преобра­зований, постоянную для всех сегментов микропрограммы, то они мо­гут рассматриваться как эквивалентные по последовательности микро­операции. Выполнение таких микроопераций связано с генерацией фик­сированной пачки управляющих сигналов. Эквивалентные по последова­тельности микрооперации записываются в одну строчку, в имени управ­ляющего сигнала указывается сдвиг этих сигналов во времени.

Пусть, например, в сегменте микропрограммы

У1 : А1 = F1 (А0)

У2 : А2 = F2 (А1)

УЗ : A3 = F3 (А2)

микрооперации могут считаться эквивалентными по последовательнос­ти, тогда можно записать

У(τ1, τ2, τ3) : A1=F1(A0) ; A2=F2(A1); A3=F3(A2).

1.3.5. Построение функциональной схемы операционного автомата

Функциональная схема операционного автомата (ОА) должна вклю­чать набор операционных элементов, связи между ними, связи этих элементов с входными и выходными шинами устройства, связи с управ­ляющим автоматом (УА).

Для выполнения операционным элементом всех его функций (запись, хранение и обра­ботка информации) он должен содержать две основные части: комби­национную (обрабатывающую) - в виде логической цепи и автоматную (запоминающую) - в виде регистра. В частных случаях при неполном выполнении упомянутых функций операционный элемент может быть представлен или комбинационной частью, или регистром.

В процессе функционирования операционного устройства обраба­тываемая информация под воздействием управляющих сигналов переда­ется от элемента к элементу. При этом собственно преобразования информации, как правило, выполняются в комбинационных цепях, а регистры обычно служат только для фиксации (записи и хранения) результатов преобразований. Иными словами, функционирование операционного устройства может рас сматриваться как процесс передачи информации из одних регистров в другие с промежуточным преобразо­ванием информации в комбинационных цепях.

Номенклатура операционных элементов используемых в разрабатываемом устройстве находится в строке ПЕРЕМЕННЫЕ ВНУТРЕННИЕ (в нем приводится список всех переменных, явля­ющихся выходными сигналами операционных элементов). Такими элемента­ми могут быть как регистровые устройства (статические и сдвигающие регистры, счетчики, накапливающие сумматоры, элементы памяти и дру­гие), так и комбинационные устройства, выполняющие операции межре­гистрового преобразования кодов. К ним могут относиться схемы уста­новления логических и арифметических отношений, комбинационные сум­маторы, комбинационные множительные устройства, арифметико-логичес­кие устройства (АЛУ), дешифраторы, программируемые матрицы и многие другие.

Установление характера связей между операционными элементами и построение реальных шин связей базируется на правилах записи предложений операционного преобразования [4]. Напомним, что слева от знака присваивания помещается выходное слово операционного эле­мента, справа - входные слова и/или слово внутреннего состояния. Поскольку входное слово, если оно не описывает константу, формиру­ется некоторым другим операционным элементом (назовем его источни­ком), то каждое предложение операционного описания однозначно ука­зывает на связь описываемого операционного элемента (назовем его приемником) с операционным элементом-источником.

Рассмотрим предложение

УСМ : СМ{1:16} = СМ{1:16} + РЕГ1{1:16}

Оно описывает работу сумматора СМ, накапливающего коды, обозначае­мые как РЕГ1. Одновременно это предложение указывает, что для орга­низации накопления необходимо подключить выходы регистра РЕГ1 к информационным входам сумматора СМ, т.е. соединить эти операцион­ные элементы шестнадцатиразрядной шины связи.

Различают четыре вида связей: индивидуальные, разветвляющие­ся, соединяющиеся и магистральные.

Индивидуальная связь применяется для передачи информации меж­ду двумя (и только двумя) операционными элементами, один из кото­рых является источником, а другой - приемником. В микропрограмме источник и приемник описываются лишь в одном предложении комбина­ционного или регистрового преобразования, что может быть использо­вано как признак индивидуальной связи.

Индивидуальная связь между сумматором СМ и регистром РЕГ1 изображена на рис. 2,а. Здесь шине связи присваивается имя источ­ника, т.е. регистра РЕГ1.