Операционный_синтез_цифровых_устройств (775248), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

где Y1, Y2, ... , YN - функции преобразования входной информации в выходную;

у1, у2, ... уN - коммутирующие сигналы мультиплексора.

Для упрощения этого выражения можно рекомендовать две проце­дуры:

• использование перестановочного, сочетательного и распреде­лительного законов, применимых как к арифметическим, так и к логи­ческим операциям;

• посегментное формирование выходного кода.

Действенность эквивалентных преобразований, приводящих к упро­щению структуры комбинационных ОЭ и устройств, будет в дальнейшем продемонстрирована на конкретных примерах.

Глава 2. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ОПЕРАЦИОННОЙ ЧАСТИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

2.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Под структурным синтезом операционного устройства будем пони­мать построение реального цифрового устройства, реализующего за­данный алгоритм функционирования, выраженный в виде микропрограм­мы. При этом будем полагать, что такие вопросы, как разбиение ОУ на операционную и управляющую части, выделение оперативных, управ­ляющих и вспомогательных сигналов, выбор элементной базы уже реше­ны на этапе абстрактного синтеза операционного устройства.

Различают три задачи структурного синтеза ОУ:

1. определение номенклатуры и количества операционных элемен­тов ОУ;

2. организация связей между операционными элементами;

3. построение управляющих устройств, генерирующих необходи­мые управляющие сигналы.

Целесообразно структурный синтез осуществлять отдельно для операционной и управляющей части ОУ, поскольку в общей процедуре синтеза вышеупомянутые задачи решаются для этих частей разными средствами. Как правило, операционная часть отличается большим разнообразием схем, она включает в себя операционные элементы весь­ма широкой номенклатуры, причем эти элементы часто связаны друг с другом при помощи средств, не упомянутых в операционном описании. В то же время управляющая часть более стандартизована, для нее во­просы структуры и связей уже решены, здесь на первый план выступа­ют вопросы генерации управляющих сигналов.

Полученное в результате структурного синтеза цифровое устрой­ство, несмотря на свою "принципиальную работоспособность", не всег­да удовлетворяет разработчика. Чаще всего это устройство оказывает­ся либо чрезмерно сложным (а следовательно, и дорогим), либо не­достаточно быстродействующим. В этом случае приходится возвращать­ся к абстрактному синтезу - изменять элементную базу и разрабаты­вать новые алгоритмы функционирования.

2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМЕНКЛАТУРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Нестандартное построение операционной части ОУ требует опре­деления номенклатуры составляющих ее операционных элементов. Для этого достаточно обратиться к той части микропрограммы, где в стро­ке ПЕРЕМЕННЫЕ ВНУТРЕННИЕ 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.

Вид операционного элемента может быть идентифицирован по име­ни переменной, его разрядность - по полю разрядности переменной. На этом этапе может быть определен набор интегральных схем, необ­ходимых для построения реального устройства. Для этого достаточно расчленить описание переменных на сегменты, разрядность которых совпадает с разрядностью используемых ИС и подсчитать их суммарное количество. Так, например, шестнадцатиразрядный сдвигающий регистр может быть построен на четырех ИС К155ИР1 или двух ИС К155ИР13, что следует из предложений операционного описания:

РЕГ{1:16} = РЕГ{1:4}.РЕГ{5:8}.РЕГ{9:12}.РЕГ{13:16}

РЕГ{1:16} = РЕГ{1:8}.РЕГ{9:16}

Здесь знак тождества устанавливает равнозначность описания выходного слова регистра; знак сцепления указывает, что отдельные ИС регистров связаны в единую структуру.

2.3. ОРГАНИЗАЦИЯ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ОПЕРАЦИОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

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.

2.3.1. Индивидуальная связь между операционными элементами

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.

Рис. 2 Виды связей: а - индивидуальная; б - разветвляющаяся; в - соединительная; г - магистральная

2.3.2. Разветвляющаяся связь между операционными элементами

Разветвляющаяся связь применяется для передачи информации между одним источником и несколькими приемниками. Признаком развет­вляющейся связи является наличие в микропрограмме нескольких пред­ложений операционного описания с разными левыми частями и одинако­выми правыми, описывающими одно и то же выходное слово источника.

Например, предложения

УСМ: СМ{1:8} = СМ{1:8} + РЕГ2{1:8}

УЗАП: РЕГ5{1:8} = РЕГ2{1:8}

……………………………………………

УСМК: СМК{1:8} = А{1:8} + РЕГ2{1:8}

описывают разветвляющуюся связь регистра РЕГ2 с тремя операционными элементами - сумматором СМ, регистром РЕГ5 и комбинационным сумматором СМК. Для организации связи выходная шина регистра РЕГ2 гальванически разветвляется, как это показано на рис. 2,б.

2.3.3. Соединяющаяся связь между операционными элементами

Соединяющаяся связь используется для передачи информации меж­ду несколькими источниками и одним приемником. Признаком такой связи является появление в микропрограмме нескольких предложений операционного описания с одинаковыми левыми частями и разными пра­выми, указывающими на использование информации от разных источни­ков.

Например, сегмент микропрограммы

У1: CM{1:16} = CM{1:16} + P1{1:16}

У2: CM{1:16} = CM{1:16} + P2{1:16}

УЗ: CM{1:16} = CM{1:16} + P3{1:16}

описывает последовательное прибавление к содержимому накапливаю­щего сумматора содержимого регистров P1, P2 и Р3. Выходы регист­ров не могут быть подключены к входу сумматора непосредственно; связь между регистрами и сумматором осуществляется через дополни­тельную схему мультиплексора, как это показано на рис. 2,в.

При организации соединяющейся связи управляющие сигналы У1, У2, УЗ выполняют два действия. Во-первых, они подсоединяют к вхо­ду приемника один из источников и, во-вторых, инициируют выполне­ние регистровой операции накопления. Первое действие является ин­дивидуальным, а второе - общим, поэтому У1, У2 и У3 подключаются к управляющему входу суммирования УСМ через схему ИЛИ.

В реальных схемах операционных устройств сигналы коммутации мультиплексора и управляющие сигналы приемника генерируются раз­дельно, с тем чтобы информационные сигналы на входах приемника формировались несколько раньше момента появления импульса управле­ния. Для этого сигнал коммутации мультиплексора должен "охваты­вать" импульс управления.

Мультиплексор как элемент схемы описывается в предложении ре­гистрового или комбинационного преобразования. Так, для нашего примера накопление кодов регистров может быть представлено как

УСМ, У1: СМ{1:16}= СМ{1:16} + (У1 & Р1{1:16} v У2 & Р2{1:16} v У3 & Р3{1:16})

УСМ, У2: СМ{1:16}= СМ{1:16} + (У1 & Р1{1:16} v У2 & Р2{1:16} v У3 & Р3{1:16})

УСМ, У3: СМ{1:16}= СМ{1:16} + (У1 & P1{1:16} v У2 & Р2{1:16} v УЗ & Р3{1:16})

или, используя имя функции мультиплексирования:

УСМ, У1: СМ{1:16} = СМ{1:16} + MS{1:16}

УСМ, У2: СМ{1:16} = СМ{1:16} + MS{1:16}

УСМ, У3: СМ{1:16} = СМ{1:16} + MS{1:16}

………………………………………………….

MS{1:16} = У1 & Р1{1:16} v У2 & Р2{1:16} v У3 & Р3{1:16}

2.3.4. Магистральная связь между операционными элементами

Магистральные связи применяются для передачи информации меж­ду многими операционными элементами, если каждый из них выступает и в качестве источника, и в качестве приемника. Магистральная связь строится как симбиоз разветвляющейся и соединяющейся связи - каждый из операционных элементов подключается к магистрали (общей шине) своими входами - непосредственно, а выходами - через мульти­плексор.

На рис. 2,г изображена магистральная связь между тремя ре­гистрами P1, P2 и Р3, работа которых описывается следующим сегмен­том микропрограммы:

У1: Р1{1:8}= Р2{1:8}

У2: Р1{1:8}= Р3{1:8}

УЗ: Р2{1:8}= Р1{1:8}

У4: Р2{1:8}= Р3{1:8}

У5: Р3{1:8}= Р1{1:8}

У6: Р3{1:8}= Р2{1:8}

Управляющие сигналы записи на регистр и сигналы коммутации мультиплексора формируются как

Часто импульсы коммутации мультиплексора рассматривают как импульс считывания с регистра источника. Для четкой работы маги­стральной связи импульс считывания должен "схватывать" импульс записи.

Для упрощения организации соединяющихся и магистральных свя­зей используют специальные типы операционных элементов, допускаю­щих гальваническое соединение их выходных шин.

Операционные элементы с открытым коллектором работают на об­щую резистивную нагрузку, подключенную к источнику питания. При отсутствии импульса считывания выходные транзисторы закрыты, что приводит к формированию единичного выходного сигнала. Наличие им­пульса считывания соответствует нормальному режиму работы опера­ционного элемента, когда выходной сигнал формируется как инверсия внутренней переменной. Таким образом, нулевой потенциал на общем проводе может появиться в результате воздействия на него лишь того операционного элемента, на который в данный момент подается импульс считывания.

Связь операционных элементов с открытым коллектором показана на рис. 3.

Среда КС малого и среднего уровня интеграции следует отметить следующие схемы с открытым коллектором:

K155ЛА7 - две четырехвходовые схемы И-НЕ:

К155ИД1 - преобразователь двоично - десятичного кода в унитарный;

К155РУ2 - ОЗУ на 64 бит (16 слов на 4 разряда).

Характеристики

Список файлов книги