3.1.2. Задание цифрового автомата с помощью графа

Цифровой автомат может быть задан графом, количество вершин которого равно количеству состояний цифрового автомата. Вершины графа соединены дугами, указывающими возможный переход из одного состояния в другое, помеченных входными сигналами, при которых имеет место представляемый дугой переход. В автоматах Мили дуги также помечаются выходными сигналами, которые вырабатываются цифровым автоматом при переходе. В автоматах Мура выходными сигналами помечаются вершины графа. На рис. 3.3 представлены графы, соответствующие автомату Мили, заданному таблицей на рис. 3.1, и автомату Мура, заданному таблицей на рис. 3.2.

Стрелки на дугах показывают из какого в какое состояние осуществляется переход. В случае, если из одной вершины в другую имеют место переходы по нескольким входным сигналам, то такой переход обозначается одной дугой, на которой через знак логической суммы перечисляются все входные сигналы, при которых имеют место представляемые дугой переходы.

На приведенном графе автомата Мили переход из вершины а₁ в вершину а₃ имеет место при входном сигнале z₃ с выработкой выходного сигнала ₅ и при входном сигнале z₂ с выработкой выходного сигнала_.Поэтому стрелка перехода из вершины а₁ в вершину а₃ помечена логическим условием:

z_{3 5} + z_{2 3}

Рис. 3.3. Графы переходов:

а – автомат Мили; б – автомат Мура.

3.2. Синтез автоматов

3.2.1. Микропрограммный принцип построения блока управления

При микропрограммном принципе построения блока управления алгоритм выполнения операции осуществляется за счет выполнения особой программы, состоящей из отдельных команд, реализующих требуемую последовательность выполнения микроопераций. Такие команды получили название микрокоманда, а совокупность микрокоманд — микропрограмма. Микропрограмма хранится в памяти.

При представлении алгоритма операции в виде ГСА выполняемые микрокоманды должны обеспечить выработку сигналов соответствующих микроопераций и обеспечить переход к следующей микрокоманде, в том числе и при ветвлении вычислительного процесса, в зависимости от проверяемых условий, характеризующих состояние управляемого объекта. Таким образом, в формате микрокоманды в принципе необходимо иметь несколько полей:

1. поле микроопераций (У), используемое для задания одной или нескольких микроопераций;

2. поле условий (Х), в котором задаются проверяемые условия, влияющие на ветвление вычислительного процесса;

1. поле адреса (А), в котором необходимо задавать информацию, определяющую следующую микрокоманду при возможном ветвлении (по крайней мере, по двум направлениям) для продолжения вычислительного процесса.

Задание всей перечисленной информации в едином формате микрокоманды затруднительно. Как правило, используют два вида, а следовательно и два формата микрокоманд:

1. операционные;

2. перехода.

Микрокоманда включает два поля:

1. типа микрокоманды (Т);

1. микрооперации (У).

Поле типа микрокоманды должно идентифицировать один из возможных типов микрокоманд, а т. к. используется всего два типа микрокоманды, то длина этого поля составляет один разряд.

Операционная микрокоманда применяется для реализации операторных вершин ГСА. Поэтому ее основная задача – задание выполняемой микрооперации. Формат операционной микрокоманды приведен на рис. 3.4, а.

Поле микрооперации задает, как правило, в кодированной форме подлежащую выполнению микрооперацию, и его разрядность определяется множеством всех микроопераций, которые могут выполняться в управляемом устройстве. Если допустимая длина микрокоманды достаточно велика, то в одной операционной микрокоманде может задаваться более одной микрооперации (рис. 3.4, б) ).

Рисунок 3.4. Формат операционной микрокоманды:

а– одна микрооперация;б– более одной микрооперации;в– микрокоманда с условием для проверки.

В качестве следующей микрокоманды в этом случае выбирается микрокоманда, расположенная в следующем адресе ЗУ после адреса расположения текущей выполняемой микрокоманды.

Микрокоманда перехода в основном используется для организации ветвления на основании результата проверки некоторого условия (признака). Поэтому в ней необходимо задавать условие для проверки и иметь информацию об адресах двух возможных ветвей продолжения процесса выполнения алгоритма. Возможный формат микрокоманды перехода приведен на рис 3.4, в. Данный формат включает следующие поля:

1. типа микрокоманды (Т);

1. условия (Х);

1. адреса (А);

1. модификатора дисциплины перехода (М).

Поле типа микрокоманды аналогично одноименному полю в операционной микрокоманде.

Поле условия используется для задания (как правило, в кодированной форме) условия, которое необходимо проверить при реализации данной микрокоманды. Его длина определяется общим количеством условий.

Поле адреса применяется для задания местоположения в памяти адресов первых микрокоманд двух возможных ветвей продолжения процесса. При этом в качестве первой микрокоманды одной из возможных ветвей используется микрокоманда, расположенная в следующем за текущей (А_т) выполняемой микрокомандой адресе в память, а адрес первой микрокоманды другой ветви задается в самой микрокоманде. Возможны две дисциплины перехода к следующей (А_с) микрокоманде по результату проверки заданного условия:

1)адрес следующей микрокоманды А_с формируется:

А_т + 1, если х_i. = 1;

А_с =

А, если х_i. = 0,

где А_т – адрес текущей выполняемой команды.

2) адрес следующей микрокоманды А_с формируется как:

А_т + 1, если х_i. =0;

А_с =

А, если х_i. = 1,

где А – адрес, задаваемый в микрокоманде перехода.

При реализации алгоритма в одних случаях удобнее использовать первую, в других – вторую дисциплину перехода. Наличие модификатора дисциплины перехода (поле М) позволяет в текущей команде перехода использовать одну из двух возможных дисциплин перехода, наиболее удобную для организации данного реализуемого ветвления. Однако это поле необязательно.

Данная схема включает в себя:

1. запоминающее устройство, в котором хранятся все микропрограммы управления объектом, на который посылается множество сигналов запуска микроопераций Y ={ y₁, y₂, ..., y_m}.

2. Х ={х₁, х₂, ..., х_n}– множество признаков, вырабатываемых управляемым объектом;

1. регистр адреса, где задается адрес микрокоманды, которую нужно прочитать и выполнить;

2. формирователь начального адреса (ФНА) микропрограммы, которую нужно выполнить при реализации операции в управляемом объекте, код которой (коп) поступает на вход ФНА;

1. регистр микрокоманды, в котором фиксируется код микрокоманды, прочитанной из запоминающего устройства (текущая выполняемая микрокоманда);

1. адрес перехода;

1. дешифратор микрооперации DC1;

1. дешифратор кода проверяемого устройства DC2;

1. логический элемент (ЛЭ), реализующий логику И–ИЛИ;

1. СИ – синхроимпульсы, по которым выполняются микрокоманды.

На рис. 3.5 приведена структурная схема устройства управления, построенного на микропрограммномпринципе.

Рис. 3. 5. Структурная схема устройства управления

В зависимости от 0–го разряда в регистре микрокоманды располагается информация различного формата:

1. при единичном значении в 0–м разряде (микрокоманда операционная) в регистре команды в разрядах (1 – k) находится код микрокоманды, подлежащей выполнению;

2. при нулевом значении в 0–м разряде (микрокоманда перехода) в регистре команды в разрядах (1 – p) находится код проверяемого условия, в разрядах от (p + 1) до k располагается адрес следующей микрокоманды.

DC1 осуществляет декодировку разрядов (1 – k) текущей микрокоманды, если это команда операционная. В такос случае на выходе элемента И(1) по сигналу СИ будет разрешена работа DC1.

DC2 осуществляет декодировку кода проверяемого условия, расположенного в разрядах (1 – p) текущей микрокоманды, если это команда перехода. В таком случае на выходе элемента И(2) по сигналу СИ будет выработан сигнал, разрешающий работу DC2.Логический элемент И(4) вырабатывает сигнал, поступающий на вход «+1» регистра адреса, который увеличивает значение, содержащееся в нем, на «+1». Сигнал «+1» вырабатывается по сигналу СИ тогда, когда имеет место единица в 0–м разряде регистра микрокоманд, или имеет место «1» на выходе ЛЭ.

Если сигнал «+1» не вырабатывается, то по сигналу СИ элемент И(4) выработает сигнал разрешения передачи адреса из микрокоманды (РПАМК), обеспечивающий передачу в регистр адреса кода поля А из регистра микрокоманды (разряды от (p + 1) до k).

Логический элемент (ЛЭ) имеет «n» входных схем И по числу проверяемых условий, вырабатываемых в управляемом объекте. На первый вход каждого его элемента И подается сигнал, значение которого соответствует одному из проверяемых признаков, а на второй вход – соответствующий выход DC2. Таким образом, на выходе ЛЭ будет иметь место сигнал «1» только тогда, когда проверяемый признак имеет единичное значение, т. е. тогда, когда выполняется микрокоманда перехода с кодом «i» в разрядах (1 – р) и управляемый объект на своем выходе х_i имеет единичное значение.

Приведенная схема устройства микропрограммного управления соответствует случаю, когда операционная микрокоманда и команда перехода имеют одинаковую длину, в каждом адресе запоминающего устройства полностью помещается одна микрокоманда, в операционной микрокоманде задается для выполнения только одна микрооперация, в микрокоманде переходе не используется поле «М» (поле модификатора дисциплины перехода).