5.2. Синтез канонического автомата

Функция операционного автомата сводится к вводу-выводу и хранению слов информации, выполнению микроопераций и вычислению логических условий. Чтобы реализовать эти функции, необходим набор элементов, достаточный для построения структуры с заданными функциями. Набор элементов, на основе которых могут строиться структуры с определёнными свойствами, называется структурным базисом (элементной базой). В операционных автоматах используются: управляемые шины (передача слов информации), регистры (хранение слов), комбинационные схемы (вычисление значений функций и условий).

Структурная схема организации операционного автомата представлена на рис.1.

Входные

слова Выходные

слова

У

ψ

Ф

правляющие

S

сигналы Осведомительные

(Y) сигналы

(Х)

Рис.1. Структура операционного автомата

Операционный автомат работает под управляющими сигналами Y, поступающими от управляющего автомата. Управляющий автомат получает от операционного автомата осведомительные сигналы Х. Автомат преобразует входные слова в выходные за счёт преобразования информации в памяти автомата S под воздействием функций Ф, которые реализуются в виде комбинационных схем. Осведомительные сигналы Х формируются с помощью устройств ψ, представляющих собой также комбинационные схемы.

Операционный автомат может быть задан содержательным графом выполнения команды. Поэтому рассмотрим синтез канонического автомата, реализующего операцию сложения чисел с разными знаками: С = А + В.

Граф этой операции приведён на рис.2. Согласно общей методике синтеза операционных автоматов, на основании графа необходимо составить таблицы: описания слов, логических условий и микроопераций.

начало

0 А(0) 1

1 0 1 0

В(0) В(0)

у1 у2 у3

С(0:31):=А(0:31)+ С(1:31):=А(1:31)+В(1:31) С(0:31):=1.А(1:31)+

+1.В(1:31) +В(0:31)

С(0:31):=С(0:31)+1 у4 0

П1

1

С(0 ) 0

11 0 1

у6 П2 П2

С(1:31):=С(1:31)+ 0

+111...1

С(0):=А(0) у5 ПП :=1 у8

у7

С(0:31):=1.С(1:31)

Конец

Рис.2. Содержательный граф операции сложения целых чисел

В графе операции сложения П1 - признак переноса в знаковый разряд, П2 - признак переноса из знакового разряда, ПП - признак переполнения. В операционном автомате признаки устанавливаются с помощью отдельных триггеров Т1, Т2, Т3.

Теперь мы можем составить таблицы слов, условий и микроопераций.

Входные, выходные слова

Таблица 3.

Тип слова	Слово	Комментарий
Входное	А(0:31)	Первое слагаемое
Входное	В(0:31)	Второе слагаемое
Выходное	С(0:31)	Результат
Выходное	ПП(0)	Переполнение
Выходное	П1(0)	Перенос в зн. разряд
Выходное	П2(0)	Перенос из знакового разряда

Логические условия

Таблица 4.

Обозначения	Условие Комментарий
х1	А(0) Знак 1 слог.
х2	В(0) Знак 2 слог.
х3	П1(0) Перенос в зн.р.
х4	П2(0) Перенос из зн.р.
х5	С(0) Знак результата
х6	ПП(0) Признак переп.

Микрооперации

Таблица 5.

Обозначение	Микрооперация
у1	С(0:31):=А(0:31)+1.В(1:31)
у2	С(1:31):=А(1:31)+В(1:31)
у3	С(0:31):=1.А(1:31)+В(0:31)
у4	С(0:31):=С(0:31)+1
у5	С(0):=А(0)
у6	С(1:31):=С(1:31)+111...1
у7	С(0:31):=1.С(1:31)
у8	ПП(0):=1
у9	П1(0):=1
у10	П2(0):=1

Теперь мы можем построить логическую схему канонического автомата. В каноническом автомате для каждой микрооперации предусматривается своё оборудование. По этой причине в каноническом автомате в принципе все микрооперации могут выполняться параллельно - одновремённо, что обеспечивает максимальное быстродействие. Хотя очерёдность выполнения микроопераций задаётся управляющим автоматом на основании графа заданной операции, реально выполняться одновремённо могут только некоторые микрооперации. Затраты оборудования при этом будут в каноническом автомате максимальными. Логическая схема канонического автомата, реализующего операцию сложения целых чисел с разными знаками, представлена на рис.3.

Все слова, обрабатываемые в каноническом автомате, находятся в шине S. В эту шину поступают входные слова, и из неё выходят выходные слова. К регистру С шины подключаются через мультиплексор, в котором адресация шин производится по управляющим сигналам уi. Таким образом, канонический автомат может реализовать все микрооперации из таблицы 5.

Большим знаком «+» отмечены на схеме комбинационные сумматоры, реализующие одну и ту же микрооперацию сложения.

Комбинационные схемы, формирующие осведомительные сигналы, в данном случае отсутствуют, поскольку достаточно анализировать состояние триггеров признаков и соответствующие разряды регистров.

1 сл. 0

А

31

2 сл. 0

В

А(0:31) 31

у1

111...1

1.В(1:31)

0

1А(1:31) у2

В(1:31) С(0:31)

1.А(1:31) у3

С А(0)

В(0:31)

С(0:31) у4 В(0)

1

31 П1

С(1:31) у6

111...1 П2

у5 у8

А(0) ПП

1.С(1:31) у7 у9 С(0)

П1

ПП(0)

S

П2

1у10 S

Рис.3. Канонический автомат