Структуры операционных устройств

Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных ОПУ, назы­вается структурным базисом. Структурный базис ОПУ включает в себя:

- регистры, обеспечивающие кратковременное хранение слов данных;

- управляемые шины, предназначенные для передачи слов данных;

- комбинационные схемы, реализующие вычисление функций микроопераций

и логических условий по управляющим сигналам от устройства управления.

Используя методику, изложенную в [21], можно синтезировать ОПУ с так на­зываемой канонической структурой, являющуюся основополагающей для синте­за других структур. Такая структура образуется путем замены каждого элемента реализуемой функции соответствующим элементом структурного базиса. Кано­ническая структура имеет максимальную производительность по сравнению с дру­гими вариантами структур, однако по затратам оборудования является избыточной. С практических позиций больший интерес представляют два иных вида структур ОПУ: жесткая и магистральная.

Операционные устройства с жесткой структурой

В ОПУ с жесткой структурой комбинационные схемы жестко распределены между всеми регистрами. К каждому регистру относится свой набор комбинационных схем, позволяющих реализовать определенные микрооперации. Пример ОПУ Жесткой структурой, обеспечивающего выполнение операций типа «сложение», приведен на рис. 7.2.

В состав ОПУ входят три регистра со своими логическими схемами:

- регистр первого слагаемого РСл1 и схема ЛРСл1;

- регистр второго слагаемого РСл2 и схема ЛРСл2;

- регистр суммы РСм и схема комбинационного сумматора См.

Рис. 7.2. Операционное устройство с жесткой структурой

Логическая схема Л РСл2 реализует микрооперации передачи второго слагаемого из РСл2 на левый вход сумматора:

- прямым кодом ЛСм := РСл2 (по сигналу управления ВхРСл2);

- инверсным кодом ЛСм := ->РСл2 (по сигналу управления В₁-РСлЗ);

- со сдвигом на один разряд влево ЛСм := 1Л(РСл2 • 0) (по сигналу управлений

L1PCл2)

Логическая схема ЛРСл1 обеспечивает передачу результата из регистра РСм

в регистр РСл1:

- прямым кодом РСл1 := РСм (по сигналу управления ПгРСл1);

- со сдвигом на один разряд влево РСл1 :=L1(РСм .0) (по сигналу управления L1РСм)

- со сдвигом на два разряда вправо РСл1 := R2(s • s • РСм) (по сигналу управления R1PCм).

Комбинационный сумматор См предназначен для суммирования (обычного или

по модулю 2) операндов, поступивших на его левый (ЛСм) и правый (ПСм) входы.

Результат суммирования заносится в регистр РСм: РСм := ЛСм + ПСм (по сигналу

управления П2РСм) или РСм := ЛСм © ПСм (по сигналу управления П2М2РСм).

Моделью ОПУ с жесткой структурой является так называемый I-автомат,

с особенностями синтеза которого можно ознакомиться в [21, 25].

Аппаратные затраты па ОПУ с жесткой структурой Сж можно оценить по вы-

ражению

где N — количество внутренних слов ОПУ; n₁.....п_N — длины слов; n = (n₁₊ ...n_N)

— средняя длима слова; k_ij. — количество микроопераций типа j =1,2,...К (сложе

ние, сдвиг, передача и т. п.), используемых для вычислений слов с номерами

i=1,2,…,N; Ст — цена триггера; Cj — цена одноразрядной схемы для реализации микрооперации j-ro типа.

В приведенном выражении первое слагаемое определяет затраты на хранен

n-разрядных слов, второе — на связи регистров с комбинационными схемами,

331

а третье-суммарную стоимость комбинационных схем, реализующих микрооперации К типов над N словами.

Затраты времени на выполнение операций типа «сложение» в ОПУ с жесткой

структурой равны

где t_в— длительность микрооперации выдачи операндов из регистров; t_с — про-

должительность микрооперации «сложение»; t_п — длительность микрооперации

приема результата в регистр.

Достоинством ОПУ с жесткой структурой является высокое быстродействие,

недостатком — малая регулярность структуры, что затрудняет реализацию таких

ОПУ в виде больших интегральных схем.