145. Функціональна і структурна сумісність мікрооперацій.

4.3. Микрооперации

Микрооперации – в синтаксическом смысле (по форме записи) это оператор присваивания, посредством которого слову присваивается значение двоичного выражения. В левой части может быть слово, сегмент, поле, либо их конкатенация. Например: А(0:7) := В(8:15); С.D := G(0:1).

Классификация микроопераций. Следуя инженерным традициям, микрооперации можно разделить на следующие классы:

1) установки; 2) инвертирования; 3) передачи; 4) сдвига; 5) счета; 6) сложения; 7) бинарные логические; 8) комбинированные.

Совместимость микроопераций. Некоторые из используемых в микропрограмме микроопераций могут выполняться параллельно во времени, в то время как другие – только последовательно. Свойство совокупности микроопераций, гарантирующее возможность их параллельного выполнения во времени, называется совместимостью. Различают функциональную и структурную совместимость.

Функциональная совместимость – обуславливается содержанием операторов, представляющих микрооперации. Микрооперации и , где - подмножества слов из S, называются функционально совместимыми, если , т.е. если микрооперации присваивают значения разным словам. Условием функциональной совместимости m операций является совместимость каждой пары микроопераций.

Структурная совместимость – обуславливается структурой операционного автомата. Микрооперации называются структурно несовместимыми, если из-за ограничений, порождаемых структурой операционного автомата, они не могут быть выполнены совместно в одном такте автоматного времени. В противном случае микрооперации являются структурно совместимыми. Структурная несовместимость микроопераций связана с использованием микрооперациями общего оборудования, единственность которого исключает возможность совместного выполнения микроопераций. Например, микрооперации и являются структурно совместимыми, если в операционном автомате присутствуют две комбинационные схемы (вычислители) для вычисления функции . Следует отметить, что вопрос структурной совместимости следует рассматривать только для функционально совместимых микроопераций.

Совместимыми называются функционально совместимые микрооперации, обладающие свойством структурной совместимости.

146. Синтез канонічної структури операційного автомата. Властивості канонічних структур операційних автоматів.

С интез канонической структуры операционного автомата

Структуру операционного автомата можно синтезировать непосредственно по его функции, заданной:

1. Множеством слов S = { } и их типами (I, L, O, IL, LO, ILO).

2. Множеством микроопераций Y = { }, где = { },  S

3. Множеством логических условий X = { } где := ( ).

Структура операционного автомата при этом синтезируется следующим образом:

1. Словам . описанным в качестве переменных с памятью (М), ставятся в соответствие регистры с длинами , равными длинам слов. Если слово разделяется на поля, то в регистре выделяются соответствующие подрегистры.

2. Словам , описанным в качестве входных переменных (тип I, IL, ILO), ставятся в соответствие входы структурной схемы. Каждый вход соединяется с входом соответствующего регистра шиной, исходящей из входа.

3. Словам , описанным в качестве выходных, ставятся в соответствие выходы структурной схемы. Выход каждого регистра соединяется с выходом шиной.

4. Каждой микрооперации  , описываемой оператором присваивания ,ставится в соответствие комбинационная схема , входы которой подключаются к регистрам и выход соединяется управляемой шиной с регистром (рис.10, а). Управляемая шина отмечается сигналом , инициирующим микрооперацию. Для выполнения микрооперации передачи не требуется комбинационная схема, вычисляющая значение двоичного выражения. Поэтому структурная реализация микрооперации передачи обеспечивается управляемой шиной, соединяющей соответствующие регистры и отмеченной соответствующим управляющим сигналом. Аналогично, микрооперация установки := const реализуется управляемой шиной, начало которой отмечается константой const и соответствующим управляющим сигналом.

Рис.10

5. Каждому логическому условию := ( ), l = 1,…,L ставится в соответствие комбинационная схема (рис.10, б), входы которой подключаются к выходам регистров и выход отмечается осведомительным сигналом .

Структура операционного автомата, полученная путем замены каждого элемента функции (слова, микрооперации, логического условия) соответствующими элементами структурного базиса (шинами, регистрами, комбинационными схемами), является основополагающей для синтеза других структур и называется канонической структурой. Каноническая структура операционного автомата имеет вид, приведенный на рис.11.

Рис.11

Совокупность регистров образует память операционного автомата, в которой хранятся исходные значения, промежуточные и конечные результаты. Исходные значения загружаются в регистры через входы . Конечные результаты выводятся из памяти операционного автомата через выходы . Совокупность комбинационных схем и связанных с ними управляемых шин, отмеченных сигналами , служит для выполнения микроопераций. Значения логических условий вычисляются комбинационными схемами , на выходах которых определены значения осведомительных сигналов .

Для нашего примера каноническая структура операционного автомата, выполняющего операции умножения и деления 16-разрядных чисел с фиксированной запятой, будет иметь вид, представленный на рис.12. Схема построена на основе функций операционного автомата, описанных в табл. 3, 4,5. Выходные цепи регистров А, В. С. СЧ объединены в шину M, с которой сигналы поступают на входы комбинационных схем, реализующих микрооперации и вычисляющих значения логических условий. Предполагается, что по шине M значения слов, хранимых в регистрах, передаются в парафазном коде. По этой причине инверсии . С(0) и  A(1:15) снимаются с шины , по которой передаются значения слов А, В, С, СЧ. Управляемые шины подключаются к регистрам А, В, С, СЧ через мультиплексоры, объединяющие несколько шин в одну.

В соответствии с моделью операционный автомат разделяется на три части:

• память S;

• комбинационную схему , которая реализует функции , связанные с выполнением микроопераций Y;

• комбинационную схему Ψ, вычисляющую значения логических условий X.

Рис.12

Каноническую структуру, представленную на рис.11 и 12 можно представить в другом виде (рисунок 13).

Рис.13

Множество микроопераций  разделяется на подмножества = { (S)}, …, = { (S)}, каждое из которых состоит из совокупности микроопераций, вычисляющих значение одного и того же слова . Различные множества и не содержат общих микроопераций, и поэтому комбинационную схему Ф можно разделить на независимые подсхемы , реализующие подмножества микроопераций . Подсхемы обслуживают соответствующие регистры и в каждом такте времени могут реализовать по одной микрооперации .Аналогичным образом схема Ψ, используемая для вычисления логических условий X, может быть разделена на подсхемы , вычисляющие значения подмножеств логических условий . . Схему состоящую из регистра и комбинационных частей и , можно рассматривать как элементарный операционный автомат, вычисляющий значение одного слова информации и контролирующий его значение посредством логических условий Элементарный операционный автомат называется операционным элементом. Таким образом, в общем случае операционный автомат разделяется на совокупность операционных элементов , число которых определяется количеством внутренних слов, обрабатываемых микропрограммой.

1. Свойства канонических структур операционных автоматов

Оценим производительность, быстродействие и затраты оборудования в автоматах с канонической структурой.

Каноническая структура имеет максимальную производительность по сравнению с другими вариантами структур, реализующих один и тот же алгоритм. Это объясняется тем, что каноническая структура не вносит ограничений на совместимость микроопераций: все функционально совместимые микрооперации могут выполняться параллельно в одном такте. Меньших затрат времени можно достичь, изменив алгоритм выполнения операций в устройстве.

Быстродействие различных структур операционных автоматов, построенных на одной и той же элементной базе, различается незначительно. Но все-таки каноническая структура обладает наивысшим быстродействием (ей присуща наименьшая длительность такта )по сравнению с другими вариантами структур. Это можно объяснить тем, что комбинационные схемы в канонической структуре имеют наименьший ранг.

В большинстве случаев каноническая структура не является минимальной по количеству используемого оборудования, что может быть объяснено следующими причинами:

1. Память операционного автомата может быть избыточной в отношении рассматриваемого алгоритма. Для минимизации памяти разработан ряд алгоритмов, позволяющих преобразовать исходный алгоритм таким образом, чтобы минимизировать количество слов, используемых в агоритме для представления данных.

2. Множество схем Z = { , } может содержать схемы, эквивалентные по реализуемым функциям. Это вызвано тем, что в схеме могут использоваться , например, два сумматора, эквивалентные с точки зрения реализуемых ими функций. Так, например, для выполнения микроопераций можно было бы использовать один сумматор.

3. Множеству схем Z может соответствовать другое множество Z’, эквивалентное по своим функциям, но порождающее меньшие затраты оборудования. Путем глубоких преобразований алгоритма, приводящих к изменению набора микроопераций и логических условий, можно создать новый набор, для реализации которого потребуются комбинационные схемы Z’, приводящие к меньшим затаратам оборудования по сравнению со схемами Z.