5.6Структурный базис операционного автомата

Структурный базис ОА – это набор, перечень структурных элементов (электронных узлов), которые можно использовать для построения ОА. В этот перечень входят структурные элементы трёх типов (функционально полный набор элементов):

– комбинационные схемы (КС) различного назначения. Используются для реализации МО и формирования осведомительных сигналов (для реализации множества X, Y);

– регистры: используются для хранения элементов (слов) информации (для реализации множества S);

– шины: используются для передачи информации (связи) между элементами структуры. ОА на уровне КС, регистров, шин изображается графически в виде функциональных схем.

1. Комбинационные схемы строятся на основе логических элементов (ЛЭ). Типичные примеры КС: двоичный сумматор, сдвигатель, набор элементов И и т. п. На структурных схемах КС принято обозначать при помощи УГО – условных графических обозначений: ГОСТ 2.708-81, 2.743-82. Примеры УГО для некоторых КС представлены на рисунке 5.11. Здесь SM – сумматор, DC – дешифратор, CD – шифратор, SH – сдвигатель.

Рисунок 5.11

Для обозначения КС можно использовать и другие фигуры: прямоугольник, окружность и т. п. (рисунок 5.12). Следует отметить, что для одноимённых интегральных схем используются другие УГО.

О сновные технические характеристики КС: затраты оборудования и быстродействие.

Затраты оборудования оцениваются количеством ЛЭ, или по Квайну – суммарным количеством входов ЛЭ.

Быстродействие КС характеризуется временем распространения сигналов от входа до выхода, т.е. задержкой распространения сигналов: Т_кс = nТ_лэ, где Т_лэ – задержка одного ЛЭ, n – количество уровней ЛЭ. Если КС построена на основе булевских выражений, представленных в ДНФ, то n=2 (двухуровневая КС).

2. Регистр – совокупность запоминающих элементов (триггеров), предназначенная для хранения элемента (слова) информации.

Обозначение регистра – регистр для хранения слова А:

в ход

1 А k

выход

Для обозначения регистров обычно используется такое же имя, как и у слова. Если регистров много, их можно нумеровать, и тогда они превращаются в массив, например, в регистры общего назначения – в локальную память.

3. Шина – это совокупность целей, служащих для передачи k–разрядного слова информации. Шина описывается аналогично словам: А(1:K). На структурных схемах шины обозначаются одной линией:

A(1:k)

1 2 ... k

Шина, как совокупность проводников, используется для неуправляемой передачи информации. С целью управления процессом передачи в шину встраиваются средства управления – ключи (вентили), которые реализуются на основе двухвходовых элементов И (рисунок 5.13). Работа управляемой шины описывается микрооперацией вида: В:= 0, если y_i=0, или В:= A, если y_i=1, где y_i – управляющий сигнал (импульс).

a ₁ & b₁

…

a₂ & b_n

y_i

Управляемая шина обозначается следующим образом:

А В или А В

n y_i n y_i

Управляемая шина вносит задержку в распространение сигналов:

Т_ш = Т_эл.ц. + Т_и, (5.5)

где Т_эл.ц. – задержка сигнала в электрических цепях (зависит от длины цепей), Т_и – задержка элемента И.

Мультиплексор (цифровой коммутатор) – совокупность управляемых шин с одним общим выходом:

ВЫХ: = А, если y_А=1;

ВЫХ:=В, если y_В=1; (5.6)

BЫХ:=С, если y_С=1;

ВЫХ:= 0, если y_А,В,С= 0.

Обозначение мультиплексора на структурных схемах:

А n

В ВЫХ

С

Мультиплексор используется для коммутации одного из входов с единственным выходом. Другими словами, для приёма информации от различных источников информации: А, В или С в различные моменты времени. Поскольку управляющие сигналы мультиплексора вырабатываются в соответствии с выражением (5.6), т.е. либо один из них, либо ни одного, то в состав мультиплексора можно ввести дешифратор, на который подаётся номер коммутируемого входа. Мультиплексор, как ИС, обычно реализуется в одном корпусе вместе с дешифратором. Обозначение ИС мультиплексора:

1

2 MS ВЫХ

3

4

№ВХ

Мультиплексор строится на базе элементов И, ИЛИ. Логическая схема мультиплексора на два входа представлена на рисунке 5.14.

Д емультиплексор – совокупность управляемых шин с одним общим входом:

A:=BХ, если y_А=1,

В:=BХ, если y_В=1, (5.7)

С:=BХ, если y_С=1

О бозначение демультиплексора:

А

ВХ В

С

Поскольку сигналы обычно одновременно не должны вырабатываться, то в DMS также можно включить дешифратор, на который подаётся номер выхода. Задержка демультиплексора меньше, чем у мультиплексора (один уровень логической схемы):

Т_DMS= T_эл.ц.+ Т_лэ. (5.8)

Логическая схема DMS изображена на рисунке 5.15.

М агистраль – двунаправленная управляемая шина. Предназначена для объединения нескольких устройств в единое целое. Другими словами, для обмена информацией между устройствами. Строится на базе мультиплексора, который обеспечивает коммутацию передающего устройства с магистралью М: М:= А, если y_А2=1, М:= В, если y_В2=1, и демультиплексора, который обеспечивает коммутацию приёмного устройства и магистрали М: А:= М, если y_А1=1, В:=М, если y_В1=1 (рисунок 5.16).

Т аким образом, для обмена по магистрали необходимо одновременно вырабатывать два сигнала y_ai, y_bj, управляющие мультиплексором и демультиплексором соответственно. Магистраль (синхронная) – простейший интерфейс. Если к магистрали подключается много устройств, то для их идентификации используют адрес, а для передачи адреса – шина адреса (ША).

Вместе с шиной данных (ШД) и шиной управления они, как известно, образуют шины единого интерфейса. Интерфейс – совокупность шин и правил обмена.