ОперационныйСинтез (Операционный Синтез), страница 2

Каждая операция в АЛБ представляет собой завершенное дей­ствие над некоторым числом машинных слов. Выполнение такой опера­ции в АЛБ распадается на некоторое число шагов, каждый из которых связан с выполнением какого-либо простейшего элементарного дей­ствия, преобразования. Но именно такие простейшие элементарные действия могут быть произведены в операционных элементах. Таким образом, выполнение каждой операции в АЛБ, ее элементарных шагов распределено по некоторому набору операционных элементов, из кото­рых и состоит АЛБ как операционное устройство. Управление последо­вательностью выполнения отдельных шагов осуществляется специальны­ми управляющими сигналами. По принятой в настоящее время термино­логии, шаги, на которые разделяется каждая операция в АЛБ и кото­рые выполняются в соответствующих операционных элементах, называ­ются микрооперациями; управляющие сигналы, вызывающие выполнение этих микроопераций, называются микрокомандами; наконец, вся за­конченная последовательность микрокоманд, реализующая некоторую операцию в АЛБ, называется микропрограммой этой операции.

1.3. Основные определения

В разд. 1.2.3 предварительно описано понятие операционного элемента. Определим его более точно. Для этого сначала уточним и некоторые другие понятия.

1.3.1. Понятие "слово". Под термином "слово" или "машинное слово" понимается двоичный код фиксированной длины, каждый разряд которого может нести в зависимости от своего положения определен­ную смысловую нагрузку. В формальных текстах каждое употребляемое слово должно быть предварительно описано. Описание слова содержит имя слова - некоторую символьную конструкцию, начинающуюся с бук­вы и содержащую далее произвольное число букв или цифр. Примерами имен являются A, B, У, СЧ, СМ, РЕГ, ДШ, БОЛЬШЕ. После имени в описании слова содержится размерная часть, содержащая в фигурных скобках номера граничных, разрядов - самого левого и самого право­го, разделенные двоеточием. Примерами полного описания слов могут служить следующие записи:

А {0:31} - слово, содержащее 32 разряда;

В {5:20} - слово, содержащее 16 разрядов;

С {1:1} - слово, содержащее только один разряд. В этом слу­чае в описании такого слова размерная часть может быть опущена.

В различных текстах можно обращаться к отдельным разрядам или полям предварительно описанных слов. Так, например, 7-й раз­ряд слова А, описанного выше, будет записан как А{7}; поле слова В, начинающееся с 8-го и кончающееся 11-м разрядом, будет записано как В{8:11} .

Над словами, их отдельными разрядами или полями могут быть определены необходимые операции. Запись этих операций осуществля­ется с помощью предложений, подобных предложениям присваивания алгоритмических языков АЛГОЛ и ФОРТРАН. Пусть, например, слова А1, В1 и С1 были описаны как 32-разрядные слова с нумерацией разрядов от 0-го до 31-го. Тогда предложением С1{0:31} = A1{0:31} + B1{0:31} слову C1 присваивается значение суммы слов А1 и B1. В связи с тем, что операция осуществляется над полными словами, их размерные части в предложении могут быть опущены, т.е. ранее полученный результат дает и предложение С1=А1+ В1. Операции над отдельными разрядами или полями имеют следующий вид:

С1{8:15} = А1{24:31} + В1{0:7} .

Предполагается, что разряды или поля слова, не представлен­ные в левой части предложения, сохраняют свое значение, которым они обладали до выполнения операции.

Разрядность левой и правой частей предложений присваивания может не совпадать; Если разрядность правой части больше, то все левые разряды этой части не умещающиеся в разрядную сетку слова, находящегося в левой части предложения, пропадают. Если, напро­тив, больше разрядность левой части, то ее лишние левые разряды заполняются нулями.

Во всем последующем изложении в случае необходимости опера­ции над словами будут сопровождаться всеми необходимыми коммента­риями.

В функционирований операционных устройств, а значит, и опе­рационных элементов, могут встретиться слова трех основных типов, определяемых ниже.

Информационное слово - это элемент обрабатываемой информации -операнд. Вся оперативная информация, поступающая на обработку в операционное устройство, все промежуточные значения, получаемые в ходе ее обработки, и все конечные результаты - все это будет представляться информационными словами.

Осведомительное слово - это слово, характеризующее процесс об­работки информационных слов. Осведомительное слово или в простей­шем случае осведомительный сигнал могут индицировать выполнение того или иного условия, заключающегося в появлении определенной комбинации значений выделенных разрядов информационного слова, или наличии некоторого результата операции (скажем, равенства ну­лю), или достижении некоторого числа повторений выполнения некото­рых операций и т.д.

Управляющее или командное слово (команда или микрокоманда) -слово или в простейшем случае управляющий сигнал, вызывающие вы­полнение микрооперации в операционном элементе. В общем случае та­кое слово будет называться микрокомандой. Каждая микрокоманда (или управляющий сигнал) будут обозначаться некоторым именем, начинаю­щимся с буквы У.

1.3.2. Понятие микрооперации - это элементарное, не распада­ющееся на еще более простые действие (запись, выдача, преобразова­ние кодов и т.д.), выполняемое над одним или несколькими машинны­ми словами в одном или нескольких операционных элементах под управлением одной микрокоманды. Следует обратить внимание на то, что микрооперация определяется прежде всего микрокомандой так, что одной микрокоманде соответствует одна и только одна микроопе­рация. Между тем, число машинных слов и даже число используемых операционных элементов принципиально не ограничено.

Так как микрооперация связана с преобразованием слов, то со­держание микрооперации может быть выражено теми же формальными средствами, что и преобразование слов, т.е. с помощью предложений присваивания, рассмотренных в 1.3.1. Однако перед предложением присваивания при этом записывается управляющий сигнал (микроко­манда). Если результат микрооперации будет далее храниться в том операционном элементе, в котором была выполнена микрооперация, то предложение присваивания и имя микрокоманды должны быть разде­лены двоеточием. Тогда выполнение микрооперации сложения двух ко­дов с последующим хранением результата под управлением микроко­манды У будет записано как У: С1 = А1 + В1. Если микрооперация выполняется в нескольких операционных элементах, го действие в каждом операционном элементе будет представлено своим отдельным предложением присваивания. В записи микрооперации эти предложения должны отделяться друг от друга точкой с запятой. Примером такой микрооперации будет У1: С1=А1 + В1; РЕГ = РЕГ + 1. Из записи микрооперации видно, что одна микрокоманда У1 вызывает выполнение двух независимых действий в двух операционных элементах.

1.3.3. Понятие операционного элемента. Все рассмотренное вы­ше позволяет окончательно сформулировать понятие операционного элемента. Итак, операционным элементом будем называть устройство комбинационного или автоматного типа, в котором под влиянием од­ной микрокоманды выполняется или полная микрооперация, или ее не­зависимая часть. В процессе выполнения микрокоманды могут быть сформированы выходное информационное или осведомительное слово. Набор операционных элементов различных типов образует структурный базис (элементную базу) операционных устройств.

1.4. Общая структурная организация операционных элементов

Набор операционных элементов должен быть синтезирован под заданную совокупность необходимых микроопераций. Задача такого синтеза допускает неоднозначное решение, что объясняется множест­вом факторов, которые могут быть учтены в процессе этого синтеза. В настоящее время качество решения оценивают не только по конеч­ным результатам, заключенным в самом решении, но и по затратам на его получение. Это, в частности, проявляется в том, что в про­цесс синтеза стремятся ввести некоторые унифицированные приемы, облегчающие не только сам процесс синтеза, но и последующую кон­структорскую разработку цифрового устройства, возможность быст­рой организации производства, обеспечения средствами технической диагностики и т.д: Из двух возможных решений, одно из которых пусть будет отличаться меньшим объемом аппаратных затрат за счет оригинальных неповторимых способов структурной организации, а другое, напротив, содержит типичные проверенные варианты построе­ний, пусть даже в данном случае и требующие больших аппаратных затрат, предпочтение, как правило, будет отдано второму. Его лег­че выполнить на готовом наборе элементов, легче понять, легче про­контролировать. Можно выделить несколько типичных приемов струк­турной организации операционных элементов, унифицирующих процесс их синтеза, управления, описания. Наибольший интерес представляют два основных приема, кратко обсуждаемых ниже.

1. Каноническое представление операционных элементов.

Операционный элемент выполняет функции записи, хранения и обра­ботки входной информации и может быть расчленен на две основные части: комбинационную (обрабатывающую) и автоматную (запоминаю­щую). Первая из них, реализуемая на элементах комбинационной логи­ки, осуществляет все функции преобразования информационных слов и формирования результатов и осведомительных сигналов. Вторая часть, функцией которой является запоминание информации (ее регистрация, выполняется на элементах автоматного типа (триггерах) и обычно называется регистром. Естественно, что такое разделение функций операционного элемента по его составным частям может увеличивать ап­паратные затраты, но дает все упомянутые выше преимущества, т.е.
структурную простоту и наглядность, построение на типовых элемен­тах, легкость контроля.

1. Регулярность структурных решений операционных элементов. Операционные элементы осуществляют сходные операции над от­дельными разрядами информационных слов. Это является основанием

к использованию для действий над различными разрядами однотипных, однородных частей. Структуры, состоящие из однотипных, однородных компонентов, одинаковым образом связанных между собой, называют регулярными. Регулярность может проявляться на самых различных уровнях, в частности, как при построении операционных элементов на однотипных комбинационных элементах, так и при построении опе­рационного устройства на одинаковых операционных элементах. Струк­тура является максимально регулярной, если все слова обрабатывают­ся одинаковым образом и одновременно с этим одинаково обрабатыва­ются все разряды слова. Чем более регулярна структура, тем проще процесс ее производства, так как понижается ее стоимость и повы­шается надежность.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Набор характеристик операционных элементов обусловлен их функциональным назначением и способами необходимого рассмотрения. Различают внешние и внутренние характеристики операционных элемен­тов. Внешние характеристики включают в себя в конечном итоге все то, что определяет общую зависимость выходных сигналов от входных. К внутренним характеристикам относят все то, что связано с внут­ренними средствами реализации внешних характеристик.

2.1. Внешние характеристики операционных элементов

Сюда относят все те их характеристики, которые определяют свойства операционных элементов как простейших структурных элемен­тов операционных устройств. В связи с этим внешние характеристики операционных элементов могут быть внутренними характеристиками операционных устройств.

2.1.1. функциональные или операционные характеристики. Харак­теристики этой группы являются основными, определяющими внешними характеристиками операционных элементов и связаны прежде всего с их общим функциональным назначением, с содержанием выполняемого преобразования входной информации. Все эти характеристики обсужда­ются ниже. При их описании будут широко использоваться некоторые формальные средства или, как их теперь принято называть, средства формального языка, в настоящем случае языка описания операционных схем (т.е. и элементов, и устройств), сокращенно ЯООС, Языки тако­го типа находят в настоящее время широкое применение и в силу сво­ей формальной организации предназначены для устранения какой бы то ни было неоднозначности в трактовке свойств и характеристик объектов описания. Эта языки обладают большинством черт современ­ных алгоритмических и описательных языков. В связи с тем, что ни один из ЯООС до сих пор не стандартизирован и не обладает по сравнению с другими аналогичными языками явными преимуществами, в последующем изложении будет использоваться некоторый условный учебный язык, который в соответствии с этим и будет называться УЯООС. Этот язык будет наделяться теми или иными средствами лишь в той мере, в которой это будет необходимо, по мере изложения для простоты, строгости и четкости представления материала. Заметим, что в первой главе при описании понятий слов, микрокоманд и микро­операций уже использовались некоторые формальные средства, кото­рые и будут теперь включены в число средств УЯООС.

Наименование операционного элемента. УЯООС должен предостав­лять определенные средства для идентификации каждого операционно­го элемента. Такая идентификация может осуществляться путем вве­дения имени операционного элемента. Могут быть определены два различных типа имен операционных элементов. Так, имя может быть дано всем однотипным стандартным операционным элементам, выпускае­мым промышленностью в настоящее время в интегральном исполнении. В качестве такого имени может быть взято паспортное наименование операционного элемента. С этим именем связывается область возможного применения типового операционного элемента. Имя такого вида будем называть формальным именем.

Однако именем должен обладать и конкретный операционный эле­мент, входящий в некоторую структуру, в некоторое операционное устройство. Это имя должно выделять единственный операционный эле­мент с его конкретным назначением и местом использования. Это имя монет иметь некоторую условную форму, однако должно отвечать тре­бованиям УЯООС. Скажем, операционный элемент типа "регистр" (воз­можно, с таким именно формальным именем) будет именоваться в кон­кретном устройстве как РЕГИСТР., или РГ, или PГ1, или Р, или даже А и т.д.

Размерная характеристика операционного элемента. Операцион­ные элементы предназначены для выполнения преобразований слов, имеющих определенную разрядность. В связи с этим сами операцион­ные элементы могут иметь свои собственные размеры, также выражен­ные в числе разрядов. При этом предполагается, что операционные элементы имеют регулярную структуру так, что может быть определе­на некоторая; связь между разрядами обрабатываемых слов и разряда­ми их структуры. Эта связь может быть явной, непосредственной, что можно будет легко усмотреть из материала последующих глав, но может быть и достаточно сложной. Тем не менее, размеры операцион­ных элементов во многих случаях могут быть выражены числом их раз­рядов, что может быть описано теми же средствами, что размеры слов. Тогда, скажем, 32-разрядный регистр с именем РГ будет опи­сан как РГ{0:31}.

Описание информационных и осведомительных слов. Внешние ха­рактеристики операционного элемента должны содержать в себе опи­сание всех входных и выходных информационных и осведомительных слов, обрабатываемых и формируемых в операционном элементе. Заме­тим, что в операционном элементе, кроме упомянутых слов, описыва­емых средствами, использованиями ранее в главе 1, в качестве ар­гументов или результатов преобразований могут выступать слова еще одного типа - слова внутреннего состояния операционного эле­мента, если этот элемент автоматного типа. Эти cлова уже не тре­буют специального описания, так как они непосредственно связыва­ются с самой структурой операционного элемента. Описание операци­онного элемента автоматного типа одновременно представляет собой и описание слова его внутреннего состояния. Следует отметить, что описание слова внутреннего состояния операционного элемента автоматного типа является его внешней характеристикой, так как оно в самом непосредственном виде определяет его общие функцио­нальные свойства.