|
49. Структурный синтез дискретных устройств с памятью
Результатом выполнения этапа структурного синтеза ДУ должно явиться построение функциональной схемы для бесконтактных дискретных устройств. Одним из важнейших требований, которое должно выполняться на этапе структурного синтеза, является получение наиболее простой (минимальной) структуры дискретного устройства. Сложность структуры ДУ в целом зависит от трудности технической реализации каждой из логических функций, полученных на этапе абстрактного синтеза и отражающих условия функционирования ДУ. Поэтому логические функции, отражающие условия функционирования выходных сигналов и элементов памяти должны быть минимизированы, а также приведены к виду, наиболее удобному для их реализации на выбранной серии логических элементов. Методы минимизации логических функций и приведения их к виду, удобному для реализации, были рассмотрены ранее. Отметим, что наиболее предпочтительными методами минимизации логических функций в инженерной практике являются метод с использованием решетки соседних чисел и обобщенных кодов, применяемый для функций до четырех переменных, и метод поразрядного сравнения рабочих и запрещенных наборов с использованием восьмеричной системы счисления – для функций более четырех переменных. Схемы функционирования каждого выхода и элемента памяти синтезируют отдельно, считая, что все необходимые сигналы, как внешние, так и обратной связи, и их инверсии имеются. При этом схемы блока управления памятью и блока формирования выходных сигналов должны рассматриваться как схема единого многовыходного дискретного устройства с памятью, что дает дополнительные возможности по оптимизации структуры синтезируемого ДУ за счет объединения отдельных функциональных частей схемы. |
50. Понятие о микропрограммном управлении и микропрограммном автомате
Сложные программные автоматы (например, АСКУ, ЭВМ и др.) можно разделить на 5 функционально различных частей: устройство ввода (УВв), запоминающее устройство (ЗУ), операционное устройство (ОУ), устройство вывода (УВ), устройство управления (УУ). Эти пять устройств взаимодействуют друг с другом при помощи электрических сигналов, которые представляют собой исходные данные, команды и управляющие сигналы. Каждое устройство при работе автомата выполняет строго определенные функции. Операционное устройство является основным преобразователем информации в автомате. Программа этих преобразований хранится в памяти. Устройство управления задает порядок следования, положения во времени и направление прохождения информации в каждом из пяти основных функциональных устройств автомата, а также между этими устройствами. УУ автомата управляет всей работой в целом. Заметим, что схема программного дискретного автомата фактически является наиболее общей формой структурной схемы любой АСКУ, в том числе и ЭВМ. Программный автомат исполняет некоторый алгоритм. Алгоритм – это совокупность формальных правил, четко и однозначно определяющих выполнение в определенной последовательности некоторой системы операций для решения всех задач данного типа. Алгоритмическое описание применимо только к процессам, имеющим дискретный характер. Операции (микрооперации) и исходные данные (содержание) алгоритма можно закодировать состояниями памяти автомата в соответствии с системой команд. Операциям алгоритма соответствуют команды в автомате, микрооперациям – микрокоманды. Микропрограммный принцип проектирования УУ базируется на том, что информация управления хранится в ЗУ и обеспечивает управление каждым устройством автомата и каждым узлом (блоком) устройства управления в каждом отдельном такте работы автомата, т.е. является программой работы из серии подкоманд для отдельных устройств и узлов (блоков), выполняющих микрооперации. При такой упорядоченной методике построения УУ машинную команду рассматривают как замкнутую подпрограмму – микропрограмму, разбитую на последовательность более мелких функциональных шагов, называемых микрокомандами (отсюда и появился термин «микропрограммирование»). Вся программа (алгоритм) разбивается на микропрограммы (команды), которые хранятся в ЗУ. При считывании команды (микропрограммы) она расшифровывается в ЗУ УУ на отдельные микрокоманды, которые и выполняются отдельными блоками УУ. Таким образом, микропрограммный принцип управления заключается в хранении в запоминающем устройстве микропрограмм (команд), в считывании из ЗУ и расшифровке микрокоманд, входящих в микропрограмму. |
51. Общая структурная схема микропрограммного автомата и ее работа
Способ установления порядка выполнения микрокоманд самым непосредственным образом связан со структурой устройства управления. В результате использования программного принципа были получены упорядоченные структуры центрального блока управления (ЦБУ). Такие ЦБУ получили название микропрограммных автоматов (МПА) или микропрограммных устройств (МПУ). Схема МПА Уилкса является исходной. Все известные до сих пор схемы МПА являются дальнейшим развитием схемы Уилкса. Структурная схема МПА Уилкса (рис. 4.3) состоит из регистра (Р) микрокоманд, дешифратора (Д), блока проверки логических условий (ПЛУ), блока формирования команд управления (ФКУ), блока формирования микрокоманд (ФМК), включающего формирователь адреса (ФА) и память микропрограмм (ЗУМП). Блок ФМК служит для формирования сигналов (микрокоманд), которые задают последовательность действий МПА. Выходы этого блока соединены со входами регистра Р. Перед первой командой регистр Р устанавливается в исходное состояние. Работа автомата начинается по первой команде, код которой поступает на вход "Вх.К." регистра микрокоманды Р (см. рис. 4.3). Регистр выдает сигнал на дешифратор, который преобразует позиционный код в унитарный. При этом только на одном из его выходов формируется сигнал. Так как каждый вход дешифратора сопоставляется с одной микрокомандой, то этот сигнал будет первой микрокомандой. Эта микрокоманда поступает в блоки ПЛУ, ФКУ и ФА. В блоке ФКУ из нее формируется управляющий сигнал. В блоке ПЛУ он может использоваться для проверки логического условия. В блоке ФА по этому сигналу формируется сигнал для считывания кода очередной микрокоманды из ЗУМП в регистр Р. Дешифратор по коду, поступающему из регистра, формирует выходной сигнал на следующем своем выходе. Этот сигнал подается в блоки ПЛУ, ФКУ и ФА. В них формируются команды управления, проверяются логические условия и образуются управляющие сигналы для считывания кода следующей микрокоманды из ЗУМП в регистр Р. Последовательность микрокоманд образуем микропрограмму. Каждая микропрограмма включает начальную микрокоманду и конечную микрокоманду ("Стоп"). Код микрокоманды хранится в течение времени нахождения этой микрокоманды в регистре Р. Микропрограмма выполняется до тех пор, пока не будет сформирована микрокоманда "Стоп", соответствующая окончанию работы МПА по первой команде. При этом в ФМК может быть сформирован сигнал, устанавливающий регистр Р в исходное состояние. Затем из внешних устройств по шине "Вх.К." в регистр Р записывается новая команда и МПА работает по ней также как описано выше. Последовательность команд образует программу работы автомата. Предполагается, что код следующей команды может поступить на регистр команд только после того, как закончится выполнение предыдущей микропрограммы (команды).
|
|
52. Способы описания (задания) микропрограммных автоматов. Логическая схема алгоритма
Описание (задание) дискретного устройства - это символическое представление условий его функционирования. Условия функционирования автомата считаются заданными, если известны следующие множества и функциональные соответствия: -множество входных сигналов; -множество выходных сигналов; -множество состояний памяти; -начальное состояние памяти автомата; -функция переходов автомата; -функция выходов автомата. Для задания перечисленных множеств и функций используются как формализованные, так и неформализованные языки. Неформализованные способы задания автомата (словесное описание, диаграммы, циклограммы, схемы и др.) являются исходными для построения формализованных моделей дискретных автоматов. Формализованное описание условий функционирования автомата называют его математической моделью. Над математической моделью автомата можно проводить формальные преобразования по определенным правилам, которые в формализованном языке однозначны и предельно точно определены. Микропрограммный автомат является дискретным автоматом с памятью специального вида. Наибольшее распространение для описания МПУ получили логические схемы алгоритмов (ЛСА), граф схемы алгоритмов (ГСА) и матричные схемы алгоритмов (МСА). Указанные модели МПА имеют наиболее простое и наглядное представление, а также легко преобразуются из одной формы в другую. При проектировании автоматов обычно их условия функционирования задают словесно. Далее от словесного описания необходимо перейти к построению математической модели, т.е. формализовать условия функционирования МПУ. Этап построения математической модели МПУ является одним из наиболее ответственных и сложных, ибо, как правило, алгоритм функционирования МПУ состоит из большого числа операторов (микрокоманд) и логических условий и содержит большое число циклов, кроме того, не существует достаточно определенной формализованной методики перехода от словесного описания ДУ к его формализованному описанию. Логические схемы алгоритмов. Алгоритм - это свод правил, программа действий для решения данной задачи. Алгоритмы могут быть выражены в виде логических схем алгоритмов, граф-схем алгоритмов и матричных схем алгоритмов. Все три выражения алгоритмов эквивалентны между собой. Указанным формам выражения алгоритмов предшествует словесная его формулировка в виде предписания, инструкции, задания и т.п. Алгоритм обладает следующими основными свойствами: 1.определенностью, т.е. он облечен в формальное общепонятное предписание, не оставляющее место произволу; 2.результативностью, т.е. он направлен на достижение некоторого результата и всегда приводит к какому-либо результату: положительному или отрицательному; 3.массовостью, т.е. его можно применять к разным исходным данным для решения не одной конкретной задачи, а целой серии однотипных по условиям задач; 4.дискретностью. Порядок работы ЛСА. Первым срабатывает самый левый член схемы. Ели это был оператор, то следующим срабатывает член, стоящий непосредственно справа от него. Если же сработавший член был логическим условием, то возможны 2 случая. Если проверяемое логическое условие выполнено, (равно 1), должен работать член, соседний справа. Если же логическое условие не выполнено (равно 0), должен работать тот член, к которому ведет стрелка, начинающаяся после данного логического условия, т.е. член схемы, стоящий справа от конца стрелки. Аналогичным образом работают и другие члены ЛСА. Работа ЛСА прекращается либо тогда, когда на некотором этапе не оказывается такого члена схемы, который должен был бы работать. |
53. Граф-схема алгоритма и матричная схема алгоритма, как способ задания (описания) микропрограммных автоматов.
Граф-схема алгоритмов (ГСА). При задании микропрограммных устройств с помощью графов с каждой вершиной графа сопоставляется микрокоманда. Дугам, соединяющим вершины, придается смысл указателя последовательности микрокоманд. В начальную вершину не входит ни одна дуга, а выходит из нее только одна дуга. В конечную вершину может входит одна или несколько дуг, но из нее не выходит ни одна дуга. Остальные микрокоманды можно разделить на два типа: микрокоманды, по которым формируются выходные управляющие сигналы, и микрокоманды, по которым проверяются логические условия. Граф-схема алгоритма (ГСА) удовлетворяет следующим условиям: 1.содержит конечное число вершин, каждая из которых является либо начальной, либо конечной, либо операторной, либо условной; 2.имеет одну начальную и одну конечную вершины; 3.входы и выходы вершин соединяются друг с другом с помощью дуг, направленных всегда от выхода ко входу; 4.каждый выход соединен только с одним входом; 5.любой вход соединяется хотя бы с одним выходом; 6.для любой вершины графа существует хотя бы один путь из этой вершины к конечной вершине; 7.один из выходов условной вершины может соединяться с ее входом, что недопустимо для операторной вершины (так называемая ждущая вершина); 8.в каждой вершине ГСА записывается оператор, присвоенный вершине. Матричные схемы алгоритмов Матричная схема алгоритма - это квадратная матрица, строки которой обозначены символами операторов А0, А1,...,Аi,...,Ак-1, а столбцам поставлены в соответствие символы операторов А1,...,Аi,...,Ак. Элементами aij матрицы являются логические функции перехода от операторов, соответствующих строке к операторам, соответствующим столбцу. Оператор Аj, сопоставленный с j-м столбцом матрицы, выполняется после оператора Аi, сопоставленного с i-й строкой матрицы, при тех комбинациях логических условий, при которых обращается в единицу логическая функция: аij=aij(x1,x2,...xn). Логические функции переходы МСА обладают следующими свойствами: 1) aij·ail=0, если j<>l;
2)
Первое условие утверждает, что произведение двух различных функций переходов одной и той же строки МСА всегда равно 0. Это условие соответствует тому факту, что после выполнения оператора Аi может одновременно выполняться не более одного оператора. Из второго условия очевидно, что после оператора Аi всегда должен выполняться хотя бы один оператор. Таким образом, из этих двух условий следует, что после оператора Ai(i<>k) всегда выполняется только один оператор. Из приведенного описания матрицы МСА следует, что оператором "Начало" обозначается верхняя (первая) строка матрицы, а оператором "Конец" - крайний (правый) столбец матрицы (Ак).
|
54. Методы и этапы синтеза микропрограммного автомата.
Классификация известных методов синтеза МПА приведена на рис1.
Канонический метод синтеза принадлежит к числу наиболее изученных и отработанных. Он позволяет свести задачу синтеза автомата с памятью к выбору элементов памяти и синтезу комбинационной схемы путем построения системы логических функций, выражающих зависимость выходных сигналов и сигналов возбуждения элементов памяти от входных сигналов и состояний элементов памяти. Сущность интерпретационных методов синтеза заключается в получении по математической модели МПУ непосредственно функциональной схемы микропрограммного автомата. Интерпретационные методы делятся на прямые и косвенные. К косвенным методам интерпретационного синтеза МПУ относятся такие, которые позволяют получать логические функции, описывающие условия функционирования отдельных узлов МПУ, а затем по частям построить функциональную схему МПУ в целом. Прямыми методами интерпретационного синтеза называют такие, которые позволяют по математической модели автомата непосредственно построить функциональную схему МПУ в целом. Интерпретационные методы синтеза в качестве исходной математической модели автомата предполагают использование ЛСА, ГСА графа МПУ, таблицы переходов или списка, задающего граф. Интерпретационные методы синтеза по сравнению с каноническим методом обладают большей простотой и наглядностью, представляют широкие возможности для решения задач повышенной размерности, а также упрощают автоматизацию синтеза с использованием ЭВМ. Такие достоинства интерпретационных методов позволяют ускорить процесс синтеза МПУ и снизить его трудоемкость. Кроме того, прямые интерпретационные методы не требуют математической модели автомата получать логические функции, осуществлять их преобразование, и синтезировать затем по логическим функциям схему МПУ. Таким образом удается существенно упростить и ускорить процесс проектирования, а также решать задачи синтеза автоматов большой размерности. В целях упорядочения решение задачи синтеза условно разделяется на несколько этапов, которые присущи всем известным методам синтеза автоматов (См. рис.2) На первом этапе, на основании анализа объекта контроля и управления, для которого разрабатывается сложный дискретный автомат, формулируется общий алгоритм его функционирования. На втором этапе формулируются условия функционирования отдельных блоков, т.е. выявляются связи блока с соседними, определяется число входов и выходов каждого блока, устанавливается взаимосвязь между входными и выходными сигналами каждого блока, для чего используют диаграммы и т.п. На третьем этапе синтеза МПУ производится оптимизация математической модели МПУ, представленной в первичной форме. На четвертом этапе по оптимизированной модели автомата, представленной в виде минимальной ЛСА, ГСА, МСА или минимизированной таблицы переходов, разрабатывается структурная и функциональная схемы МПУ. На пятом этапе по полученной функциональной схеме с учетом технических характеристик элементов памяти, логических элементов и дополнительных технических требований, предъявляемых к МПУ, разрабатывается его принципиальная электрическая схема, производятся электрические и другие расчеты, анализ и моделирование автомата с целью проверки его работоспособности и выполнения предъявленных к нему требований. |
