149. Структурна організація і синтез iм – автоматів з паралельною комбінаційною частиною.

11. Структурная организация и синтез IM–автоматов

11.1. Класс IM–автоматов

Структурная организация I–автоматов базируется на принципе закрепления комбинационных схем, используемых для выполнения микроопераций, за каждым из регистров s₁,…, s_N. За счет этого все функционально совместимые микрооперации могут выполняться параллельно в одном такте. Структурная организация М-автоматов базируется на обобщении комбинационных схем по отношению ко всем регистрам, за счет чего уменьшаются затраты оборудования в автомате. Эти два класса автоматов обладают диаметрально противоположными свойствами: I–автоматам присуща максимальная производительность при наибольших затратах оборудования, а М-автоматам – минимальная производительность при наименьших затратах оборудования. Следует ожидать, что между этими двумя классами структур операционных автоматов лежат варианты структур, обладающие промежуточными свойствами: достаточно высокой производительностью при умеренных затратах оборудования. Эти соображения иллюстрируются на рис.11.1

Ось абсцисс представляет степень обобщения комбинационных схем между регистрами. Значение К = 0 соответствует I-автомату, значение К = 1 – М –автомату, которому свойственно максимальное обобщение схем, используемых для выполнения микроопераций и, возможно, для вычисления значения логических условий.

Операционные автоматы, структурная организация которых характеризуется степенью обобществления комбинационных схем 0 < K < 1, выделяются в особый класс автоматов – класс IM-автоматов.

IM-автоматами называются операционные автоматы, структурная организация которых вносит ограничения на совместимость микроопераций и одновременно с этим обеспечивает выполнение за такт более одной микрооперации функциональной микропрограммы.

Структуры IM-автоматов могут порождаться двумя способами: использованием для выполнения микроопераций параллельных и последовательных комбинационных схем (IM-автоматы с параллельной комбинационной частью и IM-автоматы с последовательной комбинационной частью).

11.2. IM-автоматы с параллельной комбинационной частью

Вариант структуры IM-автомата с параллельной комбинационной частью приведен на рис.11.2.

Для хранения слов используются регистры s₁,…, s_N c длинами, равными длинам соответствующих слов. Для вычисления двоичных выражений, применяемых в микрооперациях, служат комбинационные схемы Ф₁ и Ф₂, реализующие функции {f_l} и {g_m} соответственно. В данном варианте структуры схема Ф₁ выполняет бинарные операции Z = f_l(A₁, A₂) - сложение, конъюнкцию, дизъюнкцию, отрицание равнозначности – над вспомогательными переменными А₁ и А₂, значения которых поступают из регистров s_i, s_j, выделяемых управляющими сигналами a_i, b_j. Схема Ф₂ реализует унарные операции Z₂ = g_m(A₃) - передачу, инвертирование, сдвиг, формирование констант и т.д. – над вспомогательной переменной А₃, значение которой поступает из регистра s_k, выделяемого управляющим сигналом c_k.Результаты Z₁, Z₂ загружаются в регистры s_p ,s_r, определяемые управляющими сигналами d_p, e_r. В одном такте автомат может выполнять две микрооперации s_p := f_l(s_i, s_j); s_r := g_m(c_k), инициируемые набором управляющих сигналов (a_i, b_j, c_k, f_l, g_m, d_p, e_r), которым соответствуют следующие операции, реализуемые схемами IM–автомата:

a_i: А₁:= s_i; b_j: А₂:= s_j; c_k: А₃:= s_k; d_p: s_p:= z₁;

e_r: s₂:= z₂; f_l: z₁:= f_l ( А_1, А₂); g_m: z₂:= g_m (А₃).

Максимальная производительность IM–автомата с В параллельными комбинационными схемами Ф₁,…, Ф_В, 1<B<N равна В микрооперациям за такт и увеличивается с увеличением числа комбинационных схем. Следовательно, количество комбинационных схем Ф₁,…, Ф_В определяется требованиями к быстродействию операционного устройства – ограничением на время выполнения операций.

IM-автомат можно рассматривать как композицию из В М-автоматов, имеющих общую память s₁,…, s_N. Исходя из этого синтез IM–автомата с параллельной комбинационной частью сводится к разбиению множества микроопераций Y = {y₁,…, y_M} на В подмножеств Y₁,… Y_B и синтезу В М-автоматов, реализующих указанные подмножества микроопераций.