8.2. Проектирование управляющей части алу на основе конечных автоматов
8.2.1. Общие вопросы проектирования устройств управления на основе конечных автоматов
Любые устройства управления на основе конечных автоматов (микропрограммные автоматы) имеют общую структурную схему, представленную на рис.8.1.
Рис. 8.1. Структурная схема микропрограммного автомата
МПА содержит:
схему запуска (СЗ),
элементы памяти,
дешифратор состояний,
комбинационную схему формирования сигналов управления,
комбинационную схему формирования сигналов переходов.
Схема запуска
Все действия по обработке данных в АЛУ производятся по сигналам управления уi,, которые формируются по синхросигналам С. Схема запуска по сигналу пуска Z формирует одиночные последовательности синхросигналов для формирования сигналов управления, которые требуются требуемых для выполнения одной операции обработки данных.
Схема запуска содержит JK-триггер и элемент И. В исходном состоянии триггер схемы запуска находится в нулевом состоянии, и его сигнал на выходе запрещает доступ синхросигналов в МПА. По сигналу пуска Z триггер переходит в единичное состояние, и открывается доступ синхроимпульсов в МПА до поступления с комбинационной схемы управляющего сигнала окончания операции W на вход сброса K JK- триггера. В схеме запуска используются или двухтактные триггеры (рис. 8.1), или триггеры с динамическим входом сигнала синхронизации. Триггер запуска должен переходить в новое состояние по заднему фронту сигнала Z или W. Это необходимо для формирования полноценных по длительности управляющих импульсов с первого до последнего.
Элементы памяти.
Элементы памяти используют в качестве регистров состояния конечного автомата. Регистр состояния включен в цепь обратной связи МПА. Состояние автомата определяет выходные сигналы управления, а сигналы управления определяют следующее состояния МПА. Здесь возможен эффект гонок, когда изменения состояния МПА производятся асинхронно. Для устранения эффекта гонок, и чтобы триггеры переключались строго по синхроимпульсам, в качестве элементов памяти используются или двухтактные триггеры (рис. 8.1), или триггеры с динамическим входом сигнала синхронизации.
Дешифратор состояния
При хранении состояния МПА для сокращения оборудования обычно используют двоичное кодирование состояния. Состояния МПА используются в комбинационных схемах в дешифрованном виде. Дешифратор преобразует код состояния МПА в набор сигналов на соответствующих состоянию шинах.
Комбинационная схема формирования сигналов управления
Схема формирует серии сигналов управления. Отдельный сигнал управления yi соответствует отдельной микрооперации (МО). Совокупность сигналов управления в одном такте соответствует микрокоманде (МК). Серия МК, формируемых схемой от сигнала Z до сигнала W, составляет микропрограмму (МП).
В МПА на основе автомата Мура выходные сигналы являются функцией только состояний автомата.
В МПА на основе автомата Мили выходные сигналы являются функцией состояний автомата и сигналов оповещения (на рис. 8.1 подача сигналов оповещения на комбинационную схему только для автомата Мили показана пунктирными линиями).
Комбинационная схема формирования сигналов переходов реализует функцию переходов. Она в каждом такте выдает комбинацию сигналов переходов, под действием которых в регистре состояния автомата фиксируется следующее состояние. Сигналы переходов в автоматах Мили и Мура являются функциями состояния и сигналов оповещения. Количество формируемых сигналов переходов и схема формирования (логические выражения) зависят от используемых типов триггеров (D или JK-триггеры). На рис. 8.1 представлен вариант схем управляющего автомата с использованием JK-триггеров.
Для простейших линейных микропрограмм можно использовать частный случай конечного автомата Мура – распределитель импульсов. Основой распределителя импульсов является счетчик, используемый в качестве регистра состояний. Он реализует линейную смену состояний конечного автомата. Счетчик не нужно проектировать, его можно просто выбрать. При использовании счетчика отпадает необходимость в использовании комбинационной схемы формирования сигналов переходов. Смена состояний производится внутренними цепями самого счетчика. При малом количестве состояний в качестве счетчика можно использовать регистр сдвига. В этом случае дешифратор не используется.