Операционный_синтез_цифровых_устройств (Операционный синтез цифровых устройств), страница 2

МИКРОПРОГРАММА СЛОЖЕНИЕ (А, В, С)

В роли разделителей в списке параметров допустимо использова­ние любых других специальных символов алфавита ЯРП, в том числе символов арифметических операций:

МИКРОПРОГРАММА СЛОЖЕНИЕ (А + В = С)

С учетом элементов внешней среды, согласно рис. 3, обращение к микропрограмме с таким заголовком будет иметь вид

СЛОЖЕНИЕ (РЕГ1 + РЕГ2 = РЕГ3)

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

ПЕРЕМЕННЫЕ

ВНЕШНИЕ < список переменных >

ВНУТРЕННИЕ

Строка ВНЕШНИЕ содержит список описаний всех внешних перемен­ных, совпадающий по составу со списком формальных параметров и отличающийся от него только наличием размерных частей в описании 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.

Возможности языка ЯООС и его расширения ЯРП ограничены фикси­рованным набором стандартных преобразований машинных слой, что обусловлено особенностями алфавита, синтаксиса и семантики этих языков. В частности, в компактной форме могут быть представлены только лишь стандартные преобразования типа сложения, вычитания, логические операции конъюнкции и дизъюнкции, отрицания и немногие другие простейшие операции. Вместе с тем при составлении микропро­грамм возникает необходимость использования сложных многоступенча­тых преобразований машинных слов, в которых сами преобразования носят логический характер.

Включение в текст микропрограмм многоступенных логических преобразований нарушает стройность и четкость микропрограмм, по­этому сложные операционные элементы комбинационного типа предлага­ется описывать с помощью так называемых внешних определений, кото­рые позволяют расширить список операций языков ЯООС и ЯРП комбина­ционного типа.

Эти определения по своей структуре напоминают микропрограммы и также содержат три части: заголовок, описание переменных и те­ло определения.

Заголовок определения начинается ключевым словом ОПЕРАТОР, далее следует символическое обозначение определяемого оператора в той форме, которая может быть удобна для использования в правых частях предложений присваивания в операционных микрооперациях. Описание переменных производится аналогично описанию переменных в микропрограммах. Тело определения содержит совокупность логичес­ких преобразований, однозначно описывающих содержание определяе­мого оператора.

1.3. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МИКРОПРОГРАММ

1.3.1. Назначение эквивалентных преобразований микропрограмм

При построении ОУ стремятся к некоторому оптимальному, с точ­ки зрения разработчика, техническому решению. Оптимальность может проявляться в уменьшении количества операционных элементов, сокра­щении их размеров (разрядности), упрощении связи между ними, использовании стандартных структур, увеличении регулярности в по­строении устройства, использовании укрупненной элементной базы (БИС, СБИС).

Основные вопросы оптимальности построения ОУ решаются на эта­пе составления алгоритма его функционирования путем использования стандартных или специализированных процедур преобразования опера­тивной информации, выбора элементной базы и выявления соотношений между комбинационными и регистровыми преобразованиями.

Дальнейшую оптимизацию ОУ можно производить на уровне его микропрограммы, которая является выражением решающего алгоритма операции в терминах составляющих ОУ операционных элементов.

Естественно предположить, что между микропрограммой и техни­ческим решением имеется определенная связь: изменения в микропро­грамме приводят к изменениям технического решения.

Другими словами, поиск оптимального технического решения мо­жет производиться на уровне микропрограммы путем ее эквивалентного преобразования. С подобными идеями приходилось встречаться и ра­нее. Так, построение оптимальных комбинационных схем было связано с минимизацией логических выражений, построение оптимальных авто­матов - с минимизацией числа внутренних состояний, выбором типа триггера, оптимизацией логических схем формирования функций воз­буждения и функций выхода.

Ниже рассмотрим некоторые эквивалентные преобразования мик­ропрограмм, способствующие оптимизации построения проектируемого ОУ.

1.3.2. Преобразования микроопераций операционного типа

Как было указано ранее, при записи алгоритма на языке ЯРП каждую микрооперацию рекомендуется записывать в отдельную строч­ку. Это соответствует предположению, что реализация решающего ал­горитма осуществляется путем последовательного выполнения микро­операций либо в порядке их записи в микропрограмме, либо в порядке, измененном воздействием управляющих микроопераций. Одна­ко 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).

1.3.3. Преобразование описаний комбинационных ОЭ

Описание межрегистровых комбинационных преобразований в ОУ существенно отличается от тех, с которыми приходилось иметь дело при синтезе классических комбинационных логических устройств. Это, с одной стороны, определяется укрупнением элементной базы (выраже­ния преобразования должны рассматриваться в терминах этих укруп­ненных элементов), а, с другой,- разделением входных сигналов на группы по характеру их использования в комбинационном преобразова­нии (операционные сигналы, управляющие (коммутирующие) сигналы, вспомогательные сигналы признаков). Наиболее распространенными ком­бинационными преобразованиями являются те, в которых выходное слово формируется в двух или более вариантах, определяемых значением не­которого набора признаков. Операционное описание такого преобразо­вания может быть выражено в виде предложения, описывающего мульти­плексирование результатов многовариантного преобразования при помо­щи набора коммутирующих сигналов:

У = Y1 & у1 + Y2 & у2 + ... + УN & уN,