Операционный_синтез_цифровых_устройств (Операционный синтез цифровых устройств)

МИНИСТЕРСТВО

ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР

МОСКОВСКИЙ

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

В.Б. СИЛИН, Б.С. МЕЛЬНИКОВ, P.M. КОНДРАТЬЕВ

ОПЕРАЦИОННЫЙ СИНТЕЗ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Учебное пособие

Утверждено

на заседании редсовета

26 апреля 1984 г.

МОСКВА 1985

681.142 (075) С 362

УДК: 681.32.066 (075.8)

Силин В.Б., Мельников Б.С., Кондратьев P.M. Операционный синтез цифровых устройств: Учебное пособие.- М.: МАИ, 1985.-55 с, ил.

Пособие предназначено для студентов факультета радиоэлек­троники летательных аппаратов специальности " Конструирование и производство электронной вычислительной аппаратуры. Оно также может быть полезно студентам других специальностей дневного отделения факультета.

Рецензент: Бигдай Л.К., Давидов П.Д.

(С) Московский авиационный институт, 1985 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебным пособием по курсу "Электронные вычислительные устрой­ства", входящим в учебные планы по специальностям факультета ра­диоэлектроники летательных аппаратов МАИ, завершается изложение материалов по операционному синтезу цифровых устройств. В последнем пособии по этому курсу, вышедшем в 1982 г., был рассмотрен первый раздел операционного синтеза, посвященный операционным эле­ментам - структурному базису операционного синтеза. В настоящем пособии излагаются основы синтеза структурной и принципиальной схем операционного устройства, являющегося центральным ядром любых вычислительных структур, в том числе и входящих составной частью в радиоэлектронные комплексы. Синтез осуществляется по заданным алгоритмам функционирования операционных устройств. Изложение ма­териала ведется с привлечением современных формальных средств, позволяющих непосредственно переходить к автоматизированным про­цедурам проектирования.

Глава 1. АБСТРАКТНЫЙ СИНТЕЗ ОПЕРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1.1. Назначение операционных устройств

Операционное устройство (ОУ) является важнейшей частью любой аппаратуры для переработки дискретной информации. Именно в ОУ реализуется основная функция цифровых вычислительных устройств - операционное преобразование информации. На основе общего принципа программного управления вычислительными устройствами эта обработ­ка осуществляется путем выполнения на каждом шаге реализуемого ал­горитма некоторой операции из фиксированного набора - системы опе­раций или команд данного вычислительного устройства. Операционные устройства универсальных ЭВМ пригодны для выполнения широкого на­бора самых разнообразных команд, при помощи которых возможно вы­полнение любых алгоритмов. Так, в ЭВМ EC-I таких команд - 143, в ЕС-2 - 179. В специализированных цифровых устройствах число раз­личных операций и соответствующих им команд может быть значитель­но меньше. В предельном случае для узко специализированных уст­ройств ОУ может быть рассчитано на выполнение одной единственной операции, как это имеет место в специализированных ОУ - цифровых фильтрах.

В соответствии с общим назначением операционного устройства в состав выполняемых в нем операций могут входить операции, раз­личающиеся содержанием (сложение, вычитание, умножение и пр.), ти­пом операндов (операнды с фиксированной и плавающей запятыми, де­сятичные операнды, операнды с различным числом разрядов и пр.), направлением перемещений результатов операций, типом признаков результата (больше-меньше нуля, равно нулю, переполнение и пр.). Широкий набор реализуемых операций обеспечивает удобство выполне­ния программ, однако требует значительных аппаратурных затрат.

1.1.2. Общая структура операционного устройства. В процессе развития методов проектирования, производства и эксплуатации ЭВУ сложились принципы рациональной организации струк­туры ОУ. Реализация этих принципов обеспечивает целый ряд удобств специалистам, связанным с различными этапами жизни ЭВУ. В конечном итоге это сказывается на качестве проектирования, производства и эксплуатации ЭВУ, понижает их стоимость, повышает функциональные возможности и надежность. Упомянутые принципы прежде всего можно представить - канонической структурой ОУ, изображенной на рис.1. ОУ состоит из двух основных частей - операционного и управляющего автоматов, между которыми и разделены все функции ОУ.

Рис. 1. Общая структурная схема операционного устройства

Операционный автомат предназначен для выполнения собственно преобразований информации. Он состоит из операционных элементов (ОЭ) автоматного (регистрового) и комбинационного типов, соединен­ных между собой управляемыми коммутируемыми связями. Общая конфи­гурация операционного автомата непосредственно определена соста­вом реализуемых в ОУ операций.

Управляющий автомат предназначен для выработки всей совокуп­ности управляющих сигналов, распределенных во времени и простран­стве, обеспечивающих необходимое управление всеми ОЭ операционно­го автомата и их связями. Каждая операция, предназначенная для вы­полнения в ОУ, распадается на последовательность элементарных ша­гов - микроопераций, выполняемых в операционном автомате с помощью управляющих сигналов - микрокоманд, в определенной последо­вательности вырабатываемых в управляющем автомате. Вся совокупность микрокоманд, необходимых для выполнения какой-либо операции в ОУ, называется микропрограммой. По этой причине управляющий автомат часто называют микропрограммным.

В процессе функционирования ОУ между его частями, а также между ОУ и внешней средой (другими устройствами ЭВУ или устройства­ми РЭА) происходит обмен различными информационными и управляющи­ми словами и сигналами, представленными на рис. 1. Входная опера­тивная информация из внешней среды поступает на операционный авто­мат и после соответствующей обработки в нем возвращается во внеш­нюю среду. Управляющая информация о конкретном типе выполняемой операции также из внешней среды подается в виде команды на управ­ляющий микропрограммный автомат, который по этому сигналу начина­ет вырабатывать соответствующую микропрограмму. Микрокоманды, свя­занные с управлением операционным автоматом, поступают на него из управляющего автомата. Обратно из операционного автомата в управ­ляющий подаются осведомительные сигналы, вырабатывающиеся в опера­ционном автомате при выполнении в ней некоторых микроопераций. Эти сигналы могут использоваться управляющим автоматом для измене­ния порядка следования микрокоманд микропрограммы.

1.1.3. Содержание синтеза операционных устройств

Синтез операционных устройств делится на два тесно связанных друг с другом этапа. На первом из них - этапе операционного синте­за - определяется собственно структура операционного устройства, т.е. состав ОЭ и связи между ними. На втором этапе - этапе логи­ческого синтеза - структура операционного устройства детализируется на логическом уровне. В связи с тем, что многие трудности реализа­ции ОУ определяются только на логическом уровне, приходится этап операционного синтеза производить повторно с учетом результатов логического синтеза. Поэтому в целом синтез операционного устрой­ства представляет собой итеративный процесс.

Обычно на этапе операционного синтеза решаются две основные задачи:

1. определение набора микроопераций (набор типов ОЭ с их описаниями);

2. построение общей структурной схемы операционного устрой­ства с детализацией до уровня ОЭ и их связей.

Перечисленные задачи в терминах теории автоматов могут рас­сматриваться как задачи абстрактного синтеза ОУ. Этот синтез в об­щем случав выполняется в следующем порядке:

1. Из заданного набора операций выбирается такая операция, которая одновременно удовлетворяет критериям наибольшей сложности и наиболее частой повторяемости.

2. Анализируются возможные алгоритмы реализации этой опера­ции с точки зрения аппаратных затрат, времени выполнения и степе­ни близости этих алгоритмов к алгоритмам других операций набора. Из всех рассмотренных алгоритмов выбирается тот, который наиболее полно отвечает указанным требованиям.

1. Для выбранного алгоритма составляется микропрограмма, и на ее основе определяется структура операционного устройства.

2. На основе полученной структуры ОУ записываются микропро­граммы всех остальных операций, при этом каждый раз структура ОУ дополняется ОЭ, необходимыми для новых микроопераций.

3. Определяется полный набор микроопераций и на его основе полная структура ОУ.

Этап логического синтеза ОУ в терминах теории конечных авто­матов может быть назван этапом структурного синтеза. Его результа­ты могут потребовать значительной коррекции структуры ОУ, получен­ной на этапе абстрактного синтеза.

Перечисленные в общем виде этапы синтеза ОУ далее рассматри­ваются подробно.

1.2. ФОРМАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ОПИСАНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСТР0ЙСТВ

1.2.1. Общие требования к формальным средствам описания цифровых устройств

На всем протяжении развития цифровой вычислительной техники перед специалистами, работавшими в этой области, стояла задача разработки средств описания, которые могли бы быть использованы при проектировании, документировании и моделировании цифровой ап­паратуры. При этом также учитывались и потребности обучения моло­дых специалистов. В начале развития вычислительной техники единственным средством представления устройств было их схемное описа­ние. Затем стали использоваться логические диаграммы и булевы уравнения. Далее стали применять блок-схемы, временные диаграммы, диаграммы следования и другие типы графического и символического представлений. Недостатком всех этих представлений была необходимость дополнять ее подробным словесным описанием на естественном языке. Однако словесным описаниям присущи определенные недостатки -отсутствие формальной однозначности, стандартности и компактности. Формальные языки, лишенные таких недостатков, стали появляться уже в конце 50-х годов. К настоящему времени подобные языки получили наименование языков регистровых передач (ЯРП) [1, 2].

На развитие ЯРП большое влияние оказало интенсивное развитие языков программирования в силу определенного сходства объектов языка и их процедур. Последние выступали как законодатели норм и правил организации любых формальных языков. В настоящее время ЯРП применяются как для облегчения общения между специалистами, так и для проектирования, моделирования и документирования цифровых уст­ройств. Разработано и находит применение множество ЯРП, различаю­щихся но основному назначению (структурное описание, описание функционирования, моделирование и т.д.), глубине детализации, чис­лу уровней представления цифровых устройств, общей мощности и пр. В Советском Союзе широкое применение находят такие языки, как МОДИС-76 и ОСС-2 [3]. МОДИС-76 представляет собой многоуровневый язык моделирования цифровых устройств, ОСС-2, являясь мощным мно­гофункциональным языком, применяется в автоматизированном проекти­ровании ЭВМ. Среди аналоговых языков, используемых за рубежом, можно назвать CDL (Computer Design Language)[1] и DDL (Digital Design Language)[3]. Общее число ЯРП, практически применяющихся в настоящее время, составляет многие десятки.

1.2.2. Язык регистровых передач

Как было показано в работе [4, п. 1.4.1] , 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. Тогда формальное пред­ставление этих процессов будет собственно описанием регистровых передач. Описание каждой конкретной передачи должно содержать в себе: исходный источник информации, т.е. исходный регистр; получа­тель информации, т.е. конечный регистр в данной передаче, а также описание связи между ними в виде соответствующего функционального преобразования, выполняемого в комбинационных цепях или в операци­онных элементах, входящих непосредственно в состав устройства. Сю­да входят исходный и конечный регистры или безрегистровый комбина­ционный операционный элемент.

Описание всей совокупности регистровых передач, выполняемых в некотором операционном устройстве, будет содержать в себе описа­ние всех регистров и всех связей между ними, а значит, будет пред­ставлять собой описание структуры операционного устройства на ре­гистровом уровне. Нетрудно видеть, что такое описание может быть получено на основе языка описания операционных схем (ЯООС) [4], средства которого достаточны как для описания регистров, так и всех преобразований в логических цепях. Очевидно, возможности это­го языка позволяют исчерпывающим образом описать структуру опера­ционной части уже существующего цифрового устройства, все элемен­ты которого и связи между ними полностью определены. Однако пока остается неопределенным процесс получения такого описания для еще не существующего проектируемого устройства, для которого сам выбор операционных компонентов и их связей является целью проектирова­ния.

Такой процесс может быть организован как процесс отображения алгоритма, реализуемого в проектируемом устройстве, на множества операционных элементов и видов их связей. Практически это означа­ет запись алгоритма в терминах операций и преобразований в доступ­ных операционных регистровых элементах или в специально синтезиру­емых операционных комбинационных элементах. Для обеспечения воз­можности такого отображения нужно иметь средства определения по­следовательности выполнения отдельных шагов алгоритма, необходимых разветвлений и организации циклических преобразований, словом, все средства управления ходом выполнения алгоритма. Очевидно, эти средства должны позволить описывать уже не только операционную, но и управляющую часть операционного устройства. Все это в целом ведет к необходимости расширения описанного ранее ЯООС путем вклю­чения в него средств, связанных с организацией управления. Такое расширение означает переход к более широкому языку, который на ос­нове содержания п.1.2.1 будем называть языком регистровых передач. Учебная версия этого языка будет рассмотрена ниже.

1.2.3. Учебный язык регистровых передач

Учебная версия ЯРП , используемая в настоящем пособии, предназначается прежде всего для иллюстрации перехода от описания алгоритма операции, которая должна быть реализована в проектируе­мом операционном устройстве, к структуре самого операционного уст­ройства. Как отмечалось в п. 1.2.2, эта версия ЯРП получается пу­тем определенного расширения ЯООС, описанного в работе [4] . Та­кое расширение позволит описать процесс выполнения заданной опера­ции через последовательность микроопераций, реализуемых на опера­ционных элементах, множество которых заранее определено. В таком случав можно говорить, что алгоритм операции описывается в терми­нах допустимых микроопераций. Расширение ЯООС. содержит определе­ния некоторых синтаксических конструкций и семантических отноше­ний. Все эти определения приводятся ниже.

1. Предполагается, что проектируемое операционное устройство, которое должно выполнять заданную операцию, связано с внешней сре­дой (радиоэлектронной системой, вычислительным комплексом, объек­том управления и т.д..) некоторыми информационными шинами, которые во внешней среде начинаются или заканчиваются выходными или вход­ными регистрами. Одновременно к операционному устройству подхо­дят управляющие шины, по которым на него подаются общие тактирую­щие сигналы начала и завершения обработки оперативной информации. Все указанные элементы внешней среды - регистры и шины считаются заданными и соответственно формально описаны до начала проектиро­вания операционного устройства.

2. Процесс выполнения операции в операционном устройстве управляется микропрограммой, правила записи которой однозначно определены. 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. Вслед за именем в круглых скобках содер­жится список формальных параметров микропрограммы, в который вхо­дят все аргументы операции и вычисляемые выходные переменные. В ка­честве фактических параметров микропрограммы выступают переменные, определяемые на регистрах внешней среды. Примером заголовка микро­программы может служить следующий: