Правила отметки гса состояниями по схеме автомата Мили
1
).
Выход начальной вершины и вход конечной
вершины отмечают начальным состоянием
а0
2). Выходы последующих операторных вершин отмечаются различными символами аi.
3). Если выходы нескольких операторных вершин соединяются в общий узел, то всем им необходимо присвоить символ одного состояния и отметить его после узла на общей стрелке.
4). Если в один узел сходятся выходы как операторных, так и условных вершин, то выходы условных вершин должны входить в узел после отметки состояния.
Эти правила позволяют сократить число состояний автомата, а также тактов, необходимых для реализации операций.
Пример отметки ГСА (микропрограммы) состояниями автомата Мили рассмотрим на рис. 5.5.
На основании рис. 5.5 можно осуществить формальный переход от графа микропрограммы к ее табличному заданию (таблица 5.2 ).
Таблица 5.2
-
Номер микрокоманды
Условие
Входные сигналы
Номер следующей микрокоманды
0
1
Y1
1
1
1
1
2
1
2
3
1
2
3Y2
Y3
Y2
Y4
2
2
2
2
Теперь легко перейти от микропрограммы (рис.5.5) к графу закона функционирования микропрограммного автомата (рис.5.6).
Рисунок 5.6 - Граф микропрограммного автомата
Далее приступают к структурному синтезу конечного автомата по известной методике. В данном пункте был рассмотрен абстрактный синтез микропрограммного устройства управления с “жесткой” структурой (логикой). Достоинством данных устройств является высокое быстродействие, недостатком - устройство “настроено” на выполнение лишь одной операции. При необходимости выполнения устройством нескольких законченных операций необходимо объединять ЛСА каждой операции в одну и проводить синтез. Конечно же, задача синтеза усложняется.
Существует класс микропрограммных устройств с “гибкой” структурой на основе использования запоминающих устройств, в которых хранится программа выполнения нескольких операций над операндами.
5.3. Методы синтеза микропрограммных устройств
В микропрограммном автомате наиболее сложным устройством с точки зрения синтеза является устройство управления. Условия функционирования устройства управления определяются совокупностью микропрограмм, соответствующих полной совокупности различных команд, которые должны реализоваться в автомате. Синтез такого устройства весьма трудоемок и, как правило, приводит к сложной, неопределенной структуре.
В связи с этим для построения устройства управления различного типа, условия функционирования которого задаются в виде совокупности микропрограмм, разработана структурная схема, которая представлена на рис. 5.7. Основными блоками устройства управления являются центральный блок управления (ЦБУ), логические функциональные блоки (ЛФБ) и операционные функциональные блоки (ОФБ). ЛФБ осуществляют проверку значений логических условий, т.е. значений сигналов, характеризующих состояние управляемого объекта. ОФБ осуществляет выполнение определенных операций (подпрограмм) по сигналам, поступающим от ЦБУ.
В МПА в общем случае можно выделить две группы входов и выходов: внешних и внутренних. Z1, Zn - внешние входы, ZA1, ZAk - внешние выходы. P1,..., Pm - внутренние входы, ZP1, ZPm - внутренние выходы. Внешние входы предназначены для восприятия кодовых комбинаций микропрограмм, внешние выходы для формирования сигналов управления ОФБ. Внутренние входы – для формирования структуры микропрограмм, внутренние выходы – для управления ЛФБ.
Стрелки, соединяющие ЦБУ с ОФБ и ЛФБ, показывают, что ОФБ формируют управляющие сигналы, а ЛФБ выдают в ЦБУ сигналы о значениях проверяемых логических условий только по соответствующим командам, поступающим от ЦБУ.
Рисунок 5.7 - Структурная схема устройства управления
В общем случае ЛФБ и ОФБ могут являться сложными цифровыми устройствами, при синтезе которых также может использоваться программный принцип построения.
Исходными данными для синтеза УА являются микропрограммы, реализуемые соответствующими ОА. Существует четыре метода синтеза УА, приводящие к существенно различным схемным реализациям, что особенно важно при использовании интегральной технологии.
Первый метод сводится к синтезу УА как автомат Мили или Мура. Методику такого синтеза мы уже рассмотрели. Синтез УА в виде автомата Мили или Мура имеет два существенных недостатка - при большом объеме памяти УА сама процедура синтеза становится нереализуемой даже на современной ЭВМ. Слово “большой” в данном случае означает величину порядка 20-30 бит и более.
Комбинационная часть автомата имеет неоднородную структуру, что усложняет технологию изготовления автомата.
Второй метод основан на использовании распределителей импульсов. Недостаток этого метода состоит в том, что он позволяет реализовать УА лишь для сравнительно простых ОА.
Третий метод синтеза УА предполагает использование постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для хранения микрокоманд. Недостаток этого метода состоит в том, что построенный по этому методу УА оказывается менее быстро-действующим, чем автомат с жесткой логикой.
Четвертый метод синтеза УА заключается в применении для хранения микрокоманд оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Недостаток этого метода состоит в том, что построенный по этому УА оказывается более дорогим и менее быстродействующим, чем с жесткой логикой. УА, построенные по 1 или 2 методам относится к автоматам с жесткой логикой, и по методу 3-4 - к автоматам с программируемой логикой. Функциональная схема такого УА приведена на рисунке 5.8.
Рисунок 5.8 - Функциональная схема простого управляющего автомата
На рисунке использованы следующие обозначения:
G - генератор тактовых импульсов;
Т - триггер;
ФКИ - формирователь коротких положительных импульсов;
RG - параллельный регистр;
DС - дешифратор;
КУЭП - комбинационное устройство и элементы памяти.
В исходном состоянии Т-триггер находится в нулевом состоянии и генератор выключен - тактовые импульсы отсутствуют. По сигналу “Пуск”, поступающему от внешнего по отношению к автомату источника, триггер переходит в положение 1. После этого вырабатывается периодическая последовательность тактовых импульсов. При этом на выходе Y появляются управляющие сигналы. После завершения реализации микропрограммы сигнал “Останов” переключает триггер в исходное состояние и тактовые импульсы прекращаются. ФКИ необходим для того, чтобы сигнал “Останов” не препятствовал повторному действию сигнала “Пуск”. RG и DC используются только в тех случаях, когда процессор должен реализовать несколько различных микропрограмм. На регистре RG фиксируется код команды, соответствующий определенной микропрограмме. При этом выбирается одна из шин DC и остальные элементы УА “настраиваются” на реализацию определенной микропрограммы. Таким образом, целью синтеза УА является определение функциональной схемы КУЭП, в то время как остальные элементы структурной схемы определены заранее.
Схема УА, выполненного на основе распределителя импульсов приведена на рисунке 5.9.
Рисунок 5.9 - Схема управляющего автомата на основе
распределителя импульсов
Триггеры и ФКИ имеют тоже назначение, что и в первой схеме. Помимо этих элементов в схеме используются распределитель импульсов РИ и шифратор CD. Количество состояний и, следовательно, количество выходов равно числу микрокоманд в микропрограмме. Шифратор имеет столько выходов, сколько различных управляющих сигналов должен выработать автомат.