150. Структурна організація і синтез iм – автоматів з послідовною комбінаційною частиною.

10.3. IM–автоматы с последовательной комбинационной частью

Принцип последовательной организации комбинационной части операционного автомата приводит к структурам,

В данном случае комбинационная часть состоит из трех схем Ф₁, Ф₂, Ф₃, реализующих операции из множеств {f_k}, {g_l}, {h_m} соответственно. Операции распространяются на пару слов s_i s_j, которые выбираются на входы А₁, А₂ комбинационной части под воздействием управляющих сигналов a_i, b_j, инициирующих передачи А₁ := s_i; А₂ := s_j. Комбинационные схемы Ф₁, Ф₂, Ф₃ настраиваются на выполнение требуемых микроопераций управляющими сигналами f_k, g_l, h_m, которые инициируют следующие преобразования: А₃ := f_k(A₂); А₄ := g_l(A₁, A₃); Z := h_m(A₄), где А₃, А₄, Z - вспомогательные переменные. Запись результата Z в память автомата инициируется управляющим сигналом d_n: s_n := Z. Таким образом, совокупность микроопераций f_k, g_l, h_m над словами s_i s_j с целью вычисления слова s_n инициируется набором управляющих сигналов (a_i, b_j, f_k, g_l, h_m, d_n), под воздействием которых автомат за один такт реализует следующее преобразование:

s_n := h_m(g_l(s_i, f_k(s_j))), (11.1)

эквивалентное трем последовательно выполняемым микрооперациям f_k, g_l, h_m. За счет этого максимальная производительность IM–автомата со структурой, приведенной на рис.11.3, в три раза превышает производительность М-автомата.

Чтобы обеспечить возможность выполнения микроопераций f_k, g_l, h_m в любом сочетании, каждая из схем Ф₁, Ф₂, Ф₃ должна реализовать микрооперации передачи слов:А₃ := А₂; А₄ := А₁; А₄ := А₃; Z := A₄. За счет этого комбинационная часть кроме преобразования (11.1) может выполнять преобразования следующего вида:

Z := A₁; Z := A₂; Z := f_k(A₂); Z := g_l(A₁, A₂); Z := h_m(A₁); Z := g_l(A₁, f_k(A₂)) и т.д.

При использовании IM-автоматов в качестве операционных автоматов процессоров комбинационные схемы Ф₁, Ф₂, Ф₃ обычно реализуют следующие функции. Схема Ф₁, используется для формирования констант, полей и инверсий слов и называется формирователем кодов. Для формирователя кодов типичен следующий набор микроопераций:

f₀: А₃ := А₂; f₄: A₃ := 0.A₂(1:n);

f₁: А₃ := 1; f₅: А₃ := 1.A₂(1:n);

f₂: А₃ := 15₁₀; f₆: А₃ := 1.┐A₂(1:n);

f₃: А₃ := 1010; f₇: А₃ := A₂(0:7).00…0

и т.д. Микрооперация f₀ обеспечивает передачу слова А₂ без преобразования. По сигналам f₁, f₂, f₃ на выходе формирователя образуются значения необходимых констант. Микрооперация f₄ служит для передачи цифровых разрядов слова А₂ (модуля операнда), микрооперация f₅: - для передачи слова с обратным знаком. Микрооперация f₆ формирует обратный код слова А₂, а микрооперация f₇ выделяет первый байт операнда. Схема Ф₂ используется для выполнения бинарных операций , основной из которых является сложение. Поэтому схему Ф₂ часто называют сумматором и возлагают на нее выполнение микроопераций следующего вида:

g₀: А₄ := А₁; g₃: А₄ := А₁  A₃;

g₁: А₄ := А₃; g₄: A₄ := A₁  A₃;

g₂: A₄ := A₁ + A₃; g₅: A₄ := A₁  A₃,

где g₀, g₁ - микрооперации передачи слов с входа на выход сумматора. Комбинационная схема Ф₃ используется для выполнения микроопераций сдвига и называется сдвигателем. Сдвигатель реализует микрооперации следующего вида:

h₀: Z := A₄; h₃: Z := R1(A₄(n).A₄);

h₁: Z := R1(0.A₄); h₄: Z := L1(A₄.A₄(0));

h₂: Z := L1(A₄.0); h₅: Z := R2(00.A₄),

где h₀ -микрооперация передачи и h₃, h₄ - микрооперации циклического сдвига. Различным значениям управляющих сигналов g_l, f_k, h_m соответствуют различные преобразования. Например,

(f₁, g₂, h₀)  Z := A₁ + 1;

(f₂, g₂, h₀)  Z := A₁ + 1.┐A₂(1:n);

(f₂, g₁, h₀)  Z := 15₁₀;

(f₄, g₂, h₁)  Z := R1(0.(A₁ + A₂(1:n))).

Как и в М-автомате, в комбинационной части IM-автомата могут использоваться расширители для хранения переноса из старшего разряда сумматора и разрядов, спадающих при сдвиге слова А₄.

Синтез IM-автомата с последовательной комбинационной частью производится на основе функциональной микропрограммы путем представления последовательностей микроопераций ,…, в форме выражений (11.1). Для этого микропрограмма разделяется на линейные участки (см. рис.11.4), состоящие из последовательностей операторов О₁,… О_r.

y₁

y₂

y₃

y₄

y₅

O₁

O₂

O₃

s₁ := ┐s₁

s₃ := L1(s₃.0)

s₁ := s₁ + s₂

s₁ := L1(s₁.0)

s₄ := s₄ +1

x_j

Рис.11.4. Линейный участок функциональной микропрограммы

Линейные участки классифицируются по рангам r = 1,…, R. К рангу r относится участок, состоящий из r операторов О₁,… О_r. В результате функция операционного автомата представляется множествами L₁,…, L_R линейных участков. Затем определяется множество выражений, порождаемых линейными участками L₁,…, L_R. Линейным участкам первого ранга соответствуют микрооперации ,…,  Y. Выражения, относящиеся к линейным участкам с рангом r = 2,…, R, находятся следующим образом. Среди микроопераций, входящих в состав

операторов линейного участка, выделяются микрооперации ,…, , связанные с вычислением одного и того же слова s_n. Путем последовательных подстановок выражений формируется микрооперация s_n := φ_m( ), которая эквивалентна последовательности микроопераций ,…, ,. Микрооперации ,…, , исключаются из линейного участка, и процесс порождения выражений вида (11.1) повторяется для оставшихся микроопераций линейного участка. Например, линейный участок (рис.11.4) порождает следующие выражения:

s₁ := L1((┐s₁ + s₂).0)

M = s₃ := L1(s₃.0) (11.2)

s₄ := s₄ + 1 ,

первое из которых эквивалентно последовательности трех микроопераций y₁, y₃, y₄. Если использовать М-автомат, то участок микропрограммы (рис.11.4) будет выполняться за пять тактов. Если операционный автомат будет построен по выражениям (11.2), то для выполнения этого участка потребуется три такта. Множество выражений, порождаемых линейными участками L_r ранга r , определяется путем объединения выражений, порождаемых отдельными линейными участками (M_r = ), а множество выражений, порождаемых функциональной микропрограммой равно M = . Т.е., множество М содержит все микрооперации из набора Y, которые не покрыты выражениями, полученными из линейных участков, и выражения, сформированные путем объединения микроопераций, последовательно выполняемых на линейных участках микропрограммы.

Множество М можно рассматривать как множество микроопераций, реализация которых возлагается на операционный автомат. Применением процедуры синтеза М-автомата к множеству микроопераций М определяется набор операторов

A₁ := s_i; A₂ := s_j; A₃ := f_k(A₂); A₄ := g_l(A₁, A₃); Z := h_m(A₄); s_n := Z,

которые реализуются схемами выборки операндов А₁, А₂, комбинационной частью и схемой записи результата Z в регистры. По набору операторов строится структурная схема IM-автомата. Количество ступеней в комбинационной части автомата определяется максимальным числом действий в двоичных выражениях М. Так, в (11.2) наиболее сложным является первое выражение, составленное из трех действий: инвертирования, сложения и сдвига.