Операционный_синтез_цифровых_устройств (775248), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Рис. 7. Алгоритм работы операционного устройства

Запишем алгоритм в виде микропрограммы.

МИКРОПРОГРАММА ЕДИНИЦЫ В ГРУППЕ (А, РЕГ) ПЕРЕМЕННЫЕ

ВНЕШНИЕ: А{1:64}, РЕГ{1:7}

ВНУТРЕННИЕ: РЕГА{1:64}, РЕГ{1:7}, СЧ{1:7}, СЧЦ{1:7}.
ПРОЦЕДУРА
УН1: РЕГ{1:7}=0

УН2: СЧ{1:7}=0

УНЗ: СЧЦ{1:7}=0

УВВ: РЕГА{1:64}= А{1:64}

М3 ЕСЛИ Р0 ТО Ml ИНАЧЕ М2

Ml УСЧ1: СЧ{1:7}= СЧ{1:7}+1

М8 УСЧ2: СЧЦ{1:7}= СЧЦ{1:7}+1

УСДВ: РЕГА{1:64}= РЕГА{2:64}.0
ИДТИ К М3
М2 ЕСЛИ P1 ТО М4 ИНАЧЕ М5

М4 УЗАП: РЕГ{1:7}= СЧ{1:7}
М5 ЕСЛИ Р2 ТО Мб ИНАЧЕ М7

М7 УН2: СЧ{1:7}=0

ИДТИ К М3

М6 КОНЕЦ

ОПЕРАТОР ПРИЗНАКИ (Р0, Р1, Р2, РЕГА, СЧ, РЕГ, СЧЦ)

ПЕРЕМЕННЫЕ

ВНЕШНИЕ: Р0, Р1, Р2, РЕГА{1}, СЧ{1:7}, РЕГ{1:7}, СЧЦ{1:7}.

ВНУТРЕННИЕ: P0, P1, P2

Р0 РЕГА{1}

P1 СЧ{1:7} > РЕГ{1:7}

Р2 СЧЦ{1:7} ∞ 64

Минимизация операционной части ОУ связана, в первую очередь, с определением эквивалентных управляющих сигналов. До первого опе­ратора перехода мы имеем четыре микрооперации, три из которых мо­гут инициироваться одним управляющим сигналом. Управляющий сигнал УН2 не может входить в группу эквивалентных сигналов, поскольку в конце операционного описания он появляется отдельно. Итак:

УН1 = УН3 = УВВ = УЭ1

Между двумя следующими операторами перехода мы можем принять за эквивалентные сигналы УСЧ2 и УСДВ, поскольку операции счета циклов и сдвига являются информационно независимыми и могут выпол­няться одновременно:

УСЧ2 = УСДВ = УЭ2

Дальнейшая минимизация определяется возможностью упрощения схем формирования признаков P1 и Р2.

Нетрудно видеть, что признак Р2 становится равным единице только тогда, когда код счетчика циклов достигает 64. Это соответ­ствует появлению единицы в старшем разряде кода счетчика, который и может быть использован в качестве признака последнего цикла:

Р2 = СЧЦ{1}

Специализированных схем сравнения на "больше" среди интеграль­ных схем серии K155 нет. Поэтому эту схему можно либо синтезиро­вать из простейших логических элементов [4], либо заменить гото­вой схемой комбинационного сумматора. Организуем работу сумматора в дополнительном коде. Тогда знаковый разряд разности кодов регист­ра и счетчика может рассматриваться как признак сравнения кодов P1 на "больше":

СМ {1:8} = 0.РЕГ{1:7} + 1.1 СЧ{1:7} + 1

P1 = СМ{1}

Инвертированное значение кода счетчика сформируем по инверс­ным сигналам триггеров его разрядов; прибавление единицы младшего разряда будем интерпретировать как принятие переноса в младший раз­ряд сумматора за константу единицы (П7 = 1).

Минимизированная структурная схема операционной части ОУ при­ведена на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема операционной части ОУ

Глава 3. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ ОПЕРАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА

3.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Управляющая часть операционного устройства предназначена для генерирования управляющих сигналов, организующих обмен информаци­ей между элементами операционной части (ОЧ) и инициирующих выпол­нение всех регистровых операций.

Исходными данными для синтеза служит ПРОЦЕДУРА микропрограм­мы, которая устанавливает характер управляющих сигналов и порядок их следования.

Рассматривают два способа построения управляющей части УО:

• управляющие устройства с жесткой логикой, когда их структу­ра однозначно определена решаемой задачей;

• управляющие устройства с программируемой логикой, когда их структура постоянна, а решавшая задача определяет значение специ­альных управляющих кодов - микрокоманд.

Вне зависимости от способа построения управляющие устройства генерируют сигнала под воздействием одной или нескольких синхрони­зирующих тактовых последовательностей и тех сигналов-признаков, которые вырабатываются в операционной части ОУ. Начало работы управляющих устройств соответствует приходу внешнего сигнала НАЧАЛО или ПУСК, конец работы - появлению внешнего сигнала СТОП или внутреннего сигнала признака окончания процесса.

3.2. ПОСТРОЕНИЕ УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

С ЖЕСТКОЙ ЛОГИКОЙ В ВИДЕ КОНЕЧНОГО АВТОМАТА

Управляющие устройства с жесткой логикой могут быть построены в виде классических автоматов Мура или Мили, в которых выход­ные сигналы У генерируются по совокупности состояния триггеров ав­томата Q , признаков Р и синхронизирующих тактовых последовательностей:

У{1:n} = F(τ{1:к} . Р{1.L} . Q{1:m})

Рассмотрим построение управляющего устройства на примере ре­шения задачи 2.

Воспользуемся описанием ПРОЦЕДУРЫ микропрограммы и преобразу­ем его к форме, где указываются только управляющие сигналы и поря­док их следования. Для этого из предложений регистрового преобра­зования исключим операционную часть и оставим метки и управляющие сигналы. Одновременно учтем эквивалентность и совместимость управ­ляющих сигналов.

Граф автомата Мура, определенный на множества входных сигна­лов Х(ПУСК, Р0, Р1, Р2), выходных сигналов Z (УЭ1, УЭ2, УН2, УЗАП, УСЧ1) и внутренних состояний S оказывается чрезмерно громоздким и трудным для восприятия. Для упрощения понимания графа можно рекомендовать построение "синтетического" графа, в котором состояния являются элементами множества состояний абстрактного автомата, а входные и выходные сигналы - комбинацией реальных двоичных перемен­ных. Граф автомата, построенный по упрощенному варианту записи опе­рационного описания, изображен на рис. 9,а.

Рис. 9. Граф автомата Мура: а - исходный; б - упрощенный

Граф требует некоторых пояснений. В начальном состоянии ав­томат не генерирует управляющих сигналов; переход от S₀ к S₁ осу­ществляется под воздействием внешнего сигнала ПУСК длительностью не более одного такта работы автомата; возврат к S₀ происходит при появлении признака последнего цикла Р2; состояния S₁, S₃, S₄, S₆, S₈ используются для генерации управляющих сигналов; состояния S₂, S₅ и S₇ - для организации условных переходов. На некоторых переходах не указан входной сигнал. Это означает, что переход осуществляет­ся "безусловно" под воздействием единичного с: гнала синхронизиру­ющей тактовой последовательности. Граф автомата может быть не­сколько упрощен, если из него исключить состояния, используемые для организации условных переходов. Для этого достаточно переходы между состояниями вызвать воздействием совокупности признаков, как это показано на рис. 9,б.

Управляющее устройство может быть построено и в виде автомата Мили. Его граф, эквивалентный графу автомата Мура (рис. 9,б), изоб­ражен на рис. 10. При построении этого графа было принято во вни­мание, что управляющие сигналы УЭ2 и УН2 на переходе

S₃'->S₁' могут рассматриваться как совместимые.

Рис. 10. Граф автомата Мили

Сравнение графов автомата Мура и Мили позволяет сделать вы­вод о целесообразности построения управляющего устройства как ав­томата Мили, поскольку последний имеет всего 4 внутренних состоя­ния. Воспользуемся процедурой синтеза автомата, описанной в рабо­те [5] . Для этого пройдем весь путь, начиная от построения табли­цы переходов и выходов автомата и кончая получением логических выражений сигналов возбуждения триггеров и выходных сигналов. Вос­пользуемся графом, изображенным на рис. 10, и построим таблицу пе­реходов и выходов автомата:

Воспользуемся таблицей кодирования внутренних состояний ав­томата

и построим кодированную таблицу переходов и выходов:

Выходные сигналы автомата формируются по выражениям:

УЭ1 = ┐Q1 & ┐Q2 & ПУСК

УН2 = ┐Q1 & ┐Q2 & ПУСК ν ┐Q1 & Q₂

УЭ2 = Q₁ & Q₂ & ┐P0 & ┐P1 ν Q₁ & ┐Q₂ ν ┐ Q₁ & Q₂

УСЧ1 = Q1 & Q₂ & P0

УЗАП = Q₁ & Q₂ & ┐PO ν P1

Будем использовать в автомате триггеры R-S типа. Сигналы управления триггерами (R₁, S₁, R₂, S₂) могут быть определены по пе­реходам триггеров Q₁ и Q₂ из нулевого состояния в единичное и обрат­но.

Сигнал R₁ вызывает переход 1->0 в триггере Q₁ :

R₁= НУСТ v ┐Р0 & Р1 v P2

Сигнал S₁ вызывает переход 0->1 в триггере Q₁ :

S₁ = ПУСК v ┐Q1 & Q₂

Сигнал R₂ вызывает переход 1->0 в триггере Q₂ :

R₂= HУCT v P0 v P2

Сигнал S₂ вызывает переход 0->1 в триггере Q₂ :

S₂= ПУСК v Q1 & ┐Q₂

При подключении устройства управления к источнику питания его триггеры устанавливаются в произвольное состояние, из которо­го они выводятся по входам специальным установочным сигналом обну­ления (НУСТ). Для построения принципиальной схемы управляющего устройства в виде автомата Мили необходимо обратиться к работе [4].

3.3. ПОСТРОЕНИЕ УПРАВЛЯЩЕГО УСТРОЙСТВА

С ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКОЙ

3.3.1. Микропрограммное управление управляющего устройства

Управляющие устройства с программируемой логикой используют­ся при создании операционных устройств достаточно высокой сложнос­ти, решающих, как правило, несколько задач, В таких устройствах управляющие сигналы генерируются по значениям специальных управ­ляющих кодов - микрокоманд, объединенных в совокупность микроко­манд - микропрограммы. Каждая задача реализуется на ОУ при выпол­нении соответствующей микропрограммы, которая вызывается кодом выбора задачи.

Обычно микропрограммы не изменяются в процессе эксплуатации операционного устройства, они постоянны и поэтому хранятся в пос­тоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) [4]. Программирование ПЗУ может осуществляться либо на заводе-изготовителе (масочное програм­мирование), либо в лабораторных условиях, разработчиком операцион­ного устройства (электрическое программирование). При записи мик­ропрограммы в ПЗУ каждая микрокоманда фиксируется в отдельной ячей­ке ПЗУ, отличающейся своим номером (адресом). Микропрограмма как совокупность микрокоманд помещается в сегмент ПЗУ, из которого вы­деляют ячейку начального и конечного адреса микропрограммы. Посто­янное запоминающее устройство можно рассматривать как дешифратор, преобразующий код адреса в код микрокоманды. Поэтому в последнее время ПЗУ стали строить в виде программируемых логических матриц, формирующих код микрокоманды как совокупность логических булевских функций разрядов микрокоманды от разрядов кода адреса.

Каждая микрокоманда решает две задачи:

1. Какие управляющие сигналы должны генерироваться в текущем такте работы управляющего устройства ?

2. Какая микрокоманда должна выполняться следующей или, другими словами, чему равен адрес следующей за текущей микрокоманды ?

Для решения этих задач микрокоманда разделяется на два поля - операционное и адресное. В простейшем случае операционное поле включает в себя столько бит, сколько разных (не эквивалентных) управляющих сигналов должно генерировать устройство управления. Каждый бит операционного поля закрепляется за определенным управ­ляющим сигналом. Появление единицы в бите вызывает генерацию соот­ветствующего управляющего сигнала. Адресное поле служит для форми­рования адреса следующей микрокоманды в безусловном или условном переходе. Для этого в нем выделяется поле признаков, код которого указывает, какой из признаков, вырабатываемых в операционной час­ти ОУ, принимает участие в формировании условного перехода и поля адресов A1 и А2 микрокоманд. Им передается управление в следующем такте работы УУ в зависимости от значения выбранного в текущем такте признака.

Построенная таким образом микрокоманда используется в УУ с принудительной адресацией. Слово "принудительная" подчеркивает тот факт, что текущая микрокоманда сама вынуждает (принуждает) ПЗУ выбирать следующую за ней микрокоманду.

Формат микрокоманда изображен на рис. 11. Такая микрокоманда генерирует L управляющих сигналов, организует переход по т сигна­лам признаков и адресует 2ⁿ ячеек ПЗУ. Если выбранный признак ра­вен единице, условимся считать, что управление передается микроко­манде по адресу A1, в противном случае - микрокоманде по адресу А2. Примем, что безусловный переход организуется в случае нулевого зна­чения кода в поле признака микрокоманды. Безусловный переход можно рассматривать как условный при обязательном равенстве единице зна­чения выбранного признака. Это означает, что при безусловном пере­ходе управление всегда передается микрокоманде по адресу A1.

Характеристики

Список файлов книги