151. Визначення класу і структура s – автоматів. Способи підвищення швидкодії s – автоматів.

12.1. Использование запоминающих устройств в памяти операционного автомата и класс S-автоматов

В некоторых операционных устройствах операции выполняются над большим числом внутренних слов, от десятков до сотен и более. Примерами таких устройств являются мультиплексные каналы, процессоры со встроенным каналом ввода-вывода, специализированные процессоры ввода-вывода и т.д.

Для уменьшения стоимости таких устройств регистровая память операционного автомата заменяется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ содержит схему адресации, обеспечивающую в каждый момент времени доступ только к одной ячейке ЗУ, т.е. к одному слову информации. Этот фактор накладывает отпечаток на структурную организацию операционного автомата.

Операционный автомат, память которого состоит из запоминающего устройства, называется S-автоматом.

12.1.1. Структура S-автомата

Типичная структура S-автомата приведена на рис.12.1. ЗУ обеспечивает хранение 2^а n-разрядных слов с адресами 0, 1, …, 2^а-1. Обращение к ЗУ инициируется сигналами чтения ЧТ: S:= ЗУ[A] и записи ЗП: ЗУ[A] := Z, где А – адрес, идентифицирующий читаемое или записываемое слово. Адрес генерируется управляющим автоматом в момент каждого обращения к ЗУ. Для хранения операндов, участвующих в микрооперации, используются регистры Р₁, Р₂. Заданная микрооперация φ_m реализуется комбинационной схемой Ф, вычисляющей значение слова Z = . φ_m(P₁, P₂) Значение Z загружается в ЗУ по заданному адресу А = А₃.

Т

Ф

Z

{φ_m}

акт Т автомата разделяется на последовательность действий:

1 ) чтение из ЗУ первого операнда -

Р

1 n

1 n

P₂

₁ := ЗУ[A₁], заданного адресом А₁;

2

P₁

S

a₂

) чтение из ЗУ второго операнда -

Р ₂ := ЗУ[A₂], з

a₁

аданного адресом А₂;

3

1

a

ЗП

А

) выполнение операции

Z

ЧТ

= . φ_m(P₁, P₂),

ЗУ

инициируемой

управляющим сигналом φ_m;

4 ) запись результата ЗУ[A₃] := Z.

Рис12.1. Типичная структура S-автомата

Таким образом, в каждом такте автомат реализует микрооперацию := φ_m( , ), где S_A – слово, хранимое в ячейке А ЗУ.

Обычно комбинационная часть S-автомата строится по схеме М-автомата, что обеспечивает реализацию одной микрооперации за такт. Быстродействие S-автомата определяется в основном быстродействием ЗУ – длительностью цикла обращения к ЗУ. В общем случае быстродействие S-автомата ниже быстродействия автоматов с регистровой памятью, поскольку регистровая память обеспечивает одновременную выборку всех операндов и время выборки слова из регистра меньше длительности цикла ЗУ

В зависимости от способа построения комбинационной части Ф, выполняющей набор микроопераций, S-автомат синтезируется как I-, M- или IM-.автомат.

12.1.2.Способы повышения быстродействия S-автоматов

Быстродействие S-автомата может быть повышено следующими способами:

1. Загрузкой результата микрооперации Z в регистры Р₁, Р₂ с целью его использования в качестве операнда в следующей микрооперации.

2. Расширением регистровой памяти автомата за счет дополнительных регистров Р₃, Р₄,….

Наиболее простой вариант структуры, обеспечивающий использование результата Z в качестве операнда в следующей микрооперации, приведен на рис.12.2.

Автомат реализует микрооперации следующего вида:

а) Р₁ := φ_m(ЗУ[A₁], ЗУ[A₂],);

б) Р₁ := φ_m(P₁, ЗУ[A₂]),

ЗУ[A₁] := φ_m(P₁, ЗУ[A₂]).

В

А

микрооперациях первого типа оба операнда выбираются из ЗУ, и результат операции загружается в регистр Р₁. В микрооперациях второго типа в качестве операнда используется

Рис.12.2. Вариант структуры S-автомата

слово Р₁ и результат операции записывается в регистр Р₁ и ячейку А₁ ЗУ. В этом случае в каждом такте выполняются два обращения к ЗУ вместо трех, в результате чего уменьшается длительность такта.

Второй способ увеличения быстродействия S-автомата сводится к введению дополнительных регистров Р₃, Р₄,…. Каждый дополнительный регистр уменьшает интенсивность потока обращений к ЗУ, поскольку увеличивается вероятность того, что операнд хранится в регистрах Р₁,…, Р_К и результат микроопераций может быть записан в соответствующий регистр, Большой эффект дает введение в автомат регистров (расширителей комбинационной части), используемых для хранения значений переносов и разрядов, спадающих при сдвиге слова.