2.4. Построение операционных устройств

Операционное устройство в общем случае включает два автомата: управляющий и операционный. Управляющий автомат (УА) предназначен для выдачи управляющих сигналов в соответствии с алгоритмом обработки. Операционный автомат (ОА) осуществляет обработку информации под действием управляющих сигналов. По результатам обработки операционный автомат, в свою очередь, вырабатывает оповещающие сигналы или логические условия, которые используются в управляющем автомате для выбора одного из нескольких возможных путей в алгоритме.

Простейшая конфигурация операционного устройства на базе БМУ и ЦПЭ серии К1804 представлена на рис. 7. Управляющий автомат в нем выполнен по типу микропрограммного устройства управления с РИМК (см. рис. 4). Выдача очередной микрокоманды из такого устройства управления (с выходов РИМК) осуществляется по переднему фронту СИ. Адресная часть микрокоманды подается на входы БМУ и КмЛУ, а операционная часть – на управляющие входы блока ЦПЭ. В ЦПЭ выполняется заданная операция, и формируются признаки – логические условия, которые подаются через КмЛУ на вход БМУ и затем вместе с сигналами управления БМУ и принудительным адресом используются в БМУ для формирования адреса следующей микрокоманды. После чтения следующей микрокоманды из ПМК цикл исполнения текущей микрокоманды завершается и может начинаться следующий. Таким образом, минимальная длительность цикла операционного устройства (такта микропроцессора) без учета времени переключения регистров и КмЛУ определяется выражением:

t ц = t цпэ + t бму + t пмк.

Уменьшение длительности цикла может быть достигнуто путем совмещения во времени работы БМУ, ПМК и ЦПЭ. На рис. 8 приведена структура операционного устройства, дающего возможность параллельной работы ЦПЭ (исполнение i-й микрокоманды), и БМУ с ПМК (формирование (i +1)-й микрокоманды) за счет введения регистра ЛУ (РгЛУ). (Использование в этом операционном устройстве ПЗУ СА не является необходимым условием для распараллеливания.) Логические условия в нем подаются в БМУ не непосредственно с выходов ЦПЭ, а с промежуточного РгЛУ. Запись ЛУ, полученных в результате выполнения i-й микрокоманды в РгЛУ осуществляется по переднему фронту СИ одновременно с записью (i +1)-й микрокоманды в РИМК. После этого начинается одновременное исполнение (i +1)-й микрокоманды в ЦПЭ и формирование адреса (i +2)-й микрокоманды с использованием ЛУ, вычисленных при исполнении i-й микрокоманды. Длительность цикла такого операционного устройства:

t ц = max {t цпэ; t бму + t пмк}.

Операционное устройство, показанное на рис. 8, используется в лабораторной установке «Микротренажер МТ-1804». Оно имеет один регистр (РИМК) в контуре управления адресом микрокоманд, таким образом, адресная часть i-й микрокоманды определяет адрес (i +1)-й. (В контур управления адресом входят РИМК, КмЛУ, ПЗУ СА, БМУ, ПМК.) В контуре управления операционным автоматом данное операционное устройство содержит два регистра (РИМК и РгЛУ), таким образом, логические условия, сформированные в результате исполнения i-й микрокоманды, участвуют в формировании адреса (i +2)-й. (В контур управления операционным автоматом входят РИМК, ЦПЭ, РгЛУ, КмЛУ, ПЗУ СА, БМУ, ПМК.)

Можно также построить операционное устройство, содержащее РАМК и РгЛУ. Длительность цикла такого устройства:

t ц = max {t пмк + t цпэ; t пмк + t бму}.

Возможно одновременное введение в схему РАМК и РИМК, а также, построение схемы с использованием только операционной части РИМК (при этом в схеме необходим РАМК), или только адресной части РИМК (при этом в схеме необходимы РАМК или РгЛУ). В общем случае, в состав операционного устройства могут входить четыре регистра: РАМК, РИМК (адресная часть), РИМК (операционная часть) и РгЛУ.

Можно сформулировать следующие общие требования к структуре операционного устройства:

• для размыкания «порочной петли» в контуре управления адресом микрокоманд (управляющим автоматом) необходимо введение в схему РАМК или адресной части РИМК. При этом адресная часть i-й микрокоманды определяет адрес (i + j)-й, где j – количество регистров (1 или 2) в контуре управления адресом;

• для размыкания «порочной петли» в контуре управления операционным автоматом необходимо введение в схему РАМК, операционной части РИМК или РгЛУ. При этом логические условия, сформированные в результате исполнения i-й микрокоманды, участвуют в формировании адреса (i + k)-й, где k – количество регистров (1, 2 или 3) в контуре управления операционным автоматом).

Всего возможно 11 структур операционных устройств. Их подробный анализ приводится в [1, 2].

Синхронизация блоков операционного устройства (БМУ, ЦПЭ, принимающих по переднему фронту синхроимпульса РИМК, РАМК, РгЛУ) осуществляется одним прямым значением синхросигнала СИ. Границей такта условно можно считать передний фронт СИ.

Рис. 7. Простейшее операционное устройство на БИС серии К1804 с регистром микрокоманд (РИМК)