1.2. Операционные устройства их структура и функции

Современные преобразователи цифровой информации строятся в виде композиции операционных устройств (ОУ), назначением каждого из которых является выполнение фиксированного конечного набора операций F ={f₁ , f_2,……,f_Q}, преобразующих по правилу

, q=1,2,…,Q

входные слова d_к1 , d_k2……,d_кn из множества D={d₁, d₂,…,d_H} в выходные слова η из множества R={r₁, r₂,…..,r₆}; при этом cчитаетcя, что входные и выходные слова заданы в двоичном алфавите.

Под функцией устройства понимают правило получения результатов, определяемых назначением устройства. Следовательно, функция всякого операционного устройства состоит в выполнении конечного набора операций F .

Структура операционного устройства есть фиксированная совокупность элементов и связей между ними. Под элементом понимается некоторая часть устройства, выполняющая определенную функцию. Структура операционного устройства изображается в форме схемы. Схема - совокупность условных графических обозначений элементов и связей между ними, соответствующая структуре устройства.

Задача синтеза операционного устройства состоит в том, чтобы разработать схему устройства, обеспечивающую реализацию заданного набора операций с заданным быстродействием и являющуюся минимальной в смысле количества используемого оборудования. Множества D, F, R и требования к быстродействию должны быть заданы перед проектированием. Поскольку элементы операционного устройства могут быть выбраны различным образом и выполнять функции различной сложности, можно строить различные схемы, раскрывающие структуру операционного устройства с различной степенью детализации.

П роектирование операционных устройств основано на представлении каждой операции из F в виде микропрограммы, т.е. алгоритма, выраженного через некоторые элементарные операции, называемые микрооперациями (МО), для изменения порядка следования которых ис­пользуются логические условия, принимающие значение "истина" или "ложь" (I или 0) в зависимости от значений слов, преобразуемых микрооперациями. Операционное устройство при этом естественным образом представляется в виде композиции автоматов (рис .I .I).

Операционный автомат (OA) служит для хранения слов информации, выполнения набора микроопераций и вычисления логических условий. Микрооперации, реализуемые OA, инициируются множеством управляющих сигналов Y={y₁, y₂,…..,y_m}, c каждым из которых отождествляется определенная микрооперация. Каждое логическое условие отождествляется с одним из осведомительных сигналов X ={х₁, х₂,…..,х_i }. Хранение информации в OA обеспечивается наличием в нем множества внутренних слов S ={s₁, s₂,…..,s_n}. Считается, что входные и выходные слова совпадают с определенными внутренними словами, т.е. D S и R S. Микрооперации реализуют присваивание слову Sa S значение , определяемого как результат применения вычислимой функции к значениям слов ,т.е. S₂ := Значения осведомительных сигналов вычисляются в OA с помощи, соотнесения , где - булева функция, a

Управляющий (микропрограммный) автомат (УА) в соответствии с кодом операции g генерирует последовательность управляющих сигналов, предписанную микропрограммой и соответствующую значениям логических условий. По отношению к УА сигналы ,g₁,g₂,…..g_h, посредством которых кодируется наименование операции, и осведомительные сигналы х_2, x₂,…..x_L , формируемые в OA, играют одинаковую роль: они влияют на порядок выработки управляющих сигналов Y. Поэтому сигналы g₁,g₂,…..g_h , х_2, x₂,…..x_L относятся к одному классу осведомительных сигналов. Выполнение микроопераций приводит к изменению состояния памяти - значений слов S_2, S₂,…..S_L. Состояния памяти S отображаются множеством осведомительных сигналов X , которые анализируются управляющим автоматом для определения следующего набора микроопераций.

Таким образом, задача синтеза операционного устройства сводится к задаче разработки схем операционного и управляющего автоматов. Оба автомата функционируют в одном и том же дискретном времени t =0, I, 2,…. Промежуток между двумя моментами t и (t + I) дискретного времени называется тактом. В течение такта формируется набор управляющих сигналов, выполняются соответствующие микрооперации и вычисляются значения логических условий. Длительность такта Т зависит от сложности микроопераций и логических условий, а также быстродействия элементов, реализующих микрооперации и условия.

Для одной и той же операции f_q можно построить сколько угодно алгоритмов с использованием различных наборов функций , оп­ределяющих микрооперации. Каждая из этих функций реализуется аппаратно и ее значения вычисляются за один такт. Прогресс в технологии интегральных схем дает возможность реализовать аппаратно и вычислять за один такт значения все более и более сложных функций.

Алгоритм выполнения операций часто представляется в виде содержательных графов микропрограмм. Каждая операторная вершина такого графа содержит совокупность функционально совместимых (допускающих одновременное выполнение) микроопераций, а условная вершина содержит одно из условий, используемых для разветвления вычислительного процесса. Поскольку каждая микрооперация и каждое условие, используемые в алгоритме заполнения операции, принадлежат какой-либо вершине содержательного графа микропрограммы, из этого графа всегда можно извлечь совокупность всех используемых в алгоритме слов и функций, определяющих микрооперации и логические условия, а затем найти структуру и закон функционирования OA. Если при этом каждая микрооперация и каждое логическое условие связаны с вполне определенным внутренним словом, получается OA с закрепленными микрооперациями; если же аргументами каждой функции, определяющей микрооперацию или логическое условие, могут быть значения любых внутренних слов и результат вычисления этой функции может быть присвоен любому внутреннему слову, получается OA с общими микрооперациями. На практике оказываются удобными и различные варианты OA с частичным закреплением микроопераций.

По отношению к управляющему автомату микрооперации и логические условия следует рассматривать как элементарные символы, которые автомат интерпретирует в виде управляющих сигналов Y={y₁,y₂,…..y_m} и воспринимает как осведомительные сигналы X={x₁,x₂,…..x_L}. Поэтому закон функционирования УА представляется в виде графа микропрограммы, в котором символы y₁,y₂,…..y_m заменяют соответствующие им микрооперации, а символы x₁,x₂,…..x_L соответствующие логические условия. Такой граф микропрограммы называют закодированным графом. По закодированному графу всегда можно построить схему УА для соответствующей операции. Если объединить содержательные графы микропрограмм всех операций в единый содержательный граф объединенной микропрограммы, то по соответствующему закодированному графу можно построить схему УА, единого для всех операций. Осведомительными сигналами для этого автомата будут как сигналы x₁,x₂,…..x_L, так и сигналы g₁,g₂,…..g_h, значения которых кодируют наименования операций.

Таким образом, основой синтеза операционных устройств является содержательные графы микропрограмм. Правила их составления и язык микропрограммирования изложены в работе [I].