книги из ГПНТБ / Штейн М.Е. Методы машинного проектирования цифровой аппаратуры

полненность памяти устройства информацией, Другой —- занятость устройства «ли канала выполнением некоторой

событий для исполнения и вида соотношений для расче­ тов моментов перехода событий из одного состояния в другое различают четыре типа событий. С помощью первого осуществляется выбор одного из нескольких допустимых путей развития процесса работы схемы; с по­ мощью второго — разветвление процесса на ряд парал­ лельных; третий позволяет объединять параллельные, разнесенные во времени процессы; четвертый — объеди­ нять параллельные, связанные во времени процессы.

Описание каждого события содержит указание типа события, выражения для вычисления моментов измене­ ния состоянй событий и элементов структурной схемы, описание операций и потоков информации, имеющих место при исполнении события. Описание информацион­ ных потоков и процесса переработки информации осу­ ществляется в виде алгоритмов в соответствии с функ­ циональным содержанием операций, входящих в состав событий. Кодовые значения слов, передаваемых по кана­ лам, формируются на основании заданных законов рас­ пределения либо выбираются из памяти устройств. По­ ток слов задается в соответствии с его статистическими параметрами, полученными на предыдущих этапах ис­ следования.

Процесс исполнения событий развивается по шагам. На очередном шаге назначаются для исполнения и вы­ числяются моменты возможного начала исполнения со­ бытий. Из событий с минимальным временем начала и реализуемых одними и теми же элементами схемы выби­ раются имеющие наибольшую приоритетность; таким об­ разом формируется описок активизируемых событий. Исполнением этих событий и исключением их из списка активизации завершается очередной шаг процесса.

Событийная модель относительно легко позволяет представлять различные классы структурных схем, ха­ рактеризующихся различными техническими параметра­ ми входящих в них устройств и правилами их взаимодей­ ствия. Такими параметрами могут быть, например, бы­ стродействие по операциям, объем памяти, правила ис­ полнения операций, правила синхронизации событий,

60

приоритетность и т. п. С помощью такой модели может быть решен ряд задач по оптимизации параметров струк­ турной схемы.

ния для моделирования дискретных систем. Киев, Изд. ИК АН УССР,

цифровых вычислительных систем. Доклады НТК по НИ Р за 1966—

3. ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

3.1. Задачи и методы функционально-логического моделирования

Основной проблемой проектирования функциональ­ ных и логических схем устройств является разработка прежде всего «правильных», а уже затем оптимальных схем. «Правильной» можно считать схему, алгоритм функционирования которой соответствует действитель­ ным объективным условиям работы схемы, а не жела­ нию разработчика. Поскольку почти все устройства про­ ектируемой ЦВМ разрабатываются практически одно­ временно разными разработчиками, условия работы

61

каждого не могут быть точно и полностью определены в начале проектирования. Поэтому и на этом этапе про­ граммное моделирование стало основным инструментом проектирования.

Модель схемы — это программа, составленная для универсальной ЦВМ, которая имитирует последователь­ ность взаимодействия устройств во времени и простран­ стве, характер продвижения информации в них.

Цель моделирования— оценить возможности, пара­ метры, степень сложности схем, правильность функцио­ нирования цифровых устройств до их фактического по­ строения. Детальность представления устройств при мо­ делировании определяется этапом проектирования, воз­ растает при переходе от верхних этапов проектирования к нижним и зависит от следующих двух противоречивых требований к модели, которая должна:

— отражать только существенные для рассматривае­ мого этапа стороны функционирования устройства;

— быть адекватной моделируемому устройству.

В функционально-логическом проектировании ЦВМ обычно различают следующие уровни детализации мо­ делей:

—моделирование функциональных схем;

—моделирование логических схем.

Функциональной схемой обычно называют схему устройства на уровне функциональных узлов (регистров, управляющих триггеров и т. п.), содержащую существен­ ные функциональные связи между ними. Логической на­ зывают схему устройства на уровне базовых логических элементов (И, ИЛИ, НЕ, триггер, усилитель и т. п.), содержащую все логические связи между ними.

С помощью функционально-логического моделирова­ ния могут быть устранены все формальные и многие семантические ошибки в схемах, разработаны и отлаже­ ны контрольные и диагностические тесты, выпущен ряд документов (описания схем, временные диаграммы, та­ блицы проверок и т. п.).

Чаще всего названные выше схемы представляются в виде классических цифровых автоматов [1], поэтому большинство известных методов моделирования [2, 5, 6, 8, 13] ориентировано на следующие ограничения схем:

— разделение последних на комбинационную и запо­ минающую части;

62

— изменение сигналов и состояний элементов только в целочисленные моменты времени, разделяющие такты временной диаграммы;

—отсутствие петель в комбинационной (петли пер­ вого) и в запоминающей (с одним и менее триггеров — петли второго рода) частях.

Эти ограничения позволяют автоматизировать ряд задач моделирования (ранжирование схем, обнаружение петель).

Ниже будут рассмотрены задачи и методы моделиро­ вания, их наиболее характерные стороны. Следует отме­ тить, что размеры книги не позволяют сделать скольконибудь полный обзор всех известных методов; поэтому автор останавливается на наиболее существенных, с его точки зрения, проблемах и особенностях функциональнологического моделирования.

Основными задачами моделирования обычно считают:

—анализ корректности построения схем, выявление запрещенных ситуаций и устранение формальных оши­ бок;

—анализ функционирования схем для выявления се­ мантических (в логике, временных диаграммах и т. д.) ошибок;

~- оценка полноты диагностических тестов на задан­ ных разработчиком неисправностях схем;

—выпуск документации «а схемы и тесты.

Всистемах моделирования обычно различают сле­ дующие составляющие:

— язык описания схем и иной необходимой инфор­ мации;

— транслятор с этого языка на внутренний язык машины;

— систему моделирующих работу устройства про­ грамм на внутреннем языке используемой цифровой вы­ числительной машины;

— систему программ исследования схем.

Внекоторых ранних методах описание схемы вы­ полнялось на внутреннем языке ЦВМ и одновременно являлось программной моделью схемы. В более поздних

исовершенных методах были разработаны специальные формальные языки, ориентированные на различные типы схем и уровни детализации их описания, а также транс­ ляторы с них на универсальные ЦВМ и системы иссле­ довательских программ,

63

Языки моделирования многие свои черты заимствуют из универсальных и специализированных языков про­ граммирования. Наиболее существенными особенностя­ ми, отличающими их от последних, являются более или менее развитые способы учета времени и возможность представления функционирующего устойства состоящим из статической и динамической частей. В простых язы­ ках время учитывается в неявном виде потактным описа­ нием моделируемых процессов, в более сложных время вводится в явном виде в самом описании [8]. В описа­ ниях моделей статическая часть представляет схему устройства; динамическая часть представляет времен­ ные диаграммы и входные сигналы для какого-либо про­ цесса.

Различают два способа описания функциональных и логических схем [2]. При способе прямого (топологиче­ ского) кодирования описание схемы представляет собой как бы кодированный чертеж. При этом используют ко­ дирование списком цепей или кодирование списком эле­ ментов.

При способе функционального описания моделируе­ мая схема описывается логическими уравнениями (буле­ выми функциями) или с помощью формальных предло­ жений.

Трансляторы, используемые в системах моделирова­ ния, бывают двух типов: компилирующего и интерпрети­

лирующий транслятор предварительно составляет про­ грамму решения системы уравнений, предложений, спи­ сков. Метод компилирования обычно сложнее интерпре­ тирующего, требует значительно большего объема памя­ ти для программы, но скорость моделирования обычно на порядок выше.

Быстродействие моделирующих программ оказывает решающее влияние на практические возможности их ис­ пользования. Для увеличения быстродействия использу­ ют два основных метода: ранжирование схем и событийное моделирование. Ранжирование заключается в упорядочивании всех уравнений описания (или соответ­ ствующих им элементов схемы) перед моделированием.

64

Элементы меньшего ранга устанавливаются в новое со­ стояние раньше, чем элементы большего ранга.

Моделирование ранжированной схемы, представлен­ ной списком элементов, заключается в последовательном определении сигналов на входе всех элементов каждого ранга, начиная с элементов наименьшего ранга. Модели­ рование ранжированной схемы, описанной логическими уравнениями, заключается в упорядоченном решении уравнений, начиная с уравнений, соответствующих эле­ ментам наименьшего ранга. Порядок моделирования элементов схемы, имеющих одинаковые ранги, не играет роли.

При отсутствии автоматического ранжирования либо применяется ручное ранжирование схем разработчиком, либо используется метод последовательных итераций, заключающийся в последовательном решении уравнений. Исходными данными для первой итерации являются входные сигналы и начальное состояние схемы; вычис­ ленное состояние используется на второй итерации вме­

комбинационной части моделируемой схемы, и подсисте­ му L% соответствующую описанию запоминающей части схемы.

// этап. Каждая подсистема разбивается на ранги. Задача состоит в том, чтобы переключательную функцию записать в списке функций только тогда, когда будут перечислены в этом списке все те функции, левые части которых входят в качестве переменных в данную функ­ цию.

Ранжирование можно использовать не для всех клас­ сов схем. Легко ранжируются классические (автомат­ ные) схемы. Схемы с петлями второго рода (если тако­ вые допускаются техническими условиями используемой системы элементов) также ранжируются с помощью описанного алгоритма. Петли первого рода принципиаль­ но не ранжируются. В таких случаях либо используются специальные приемы моделирования, либо изменяются сами схемы.