Лекция 9.

Тема 5.1. Автоматы как технические устройства эвм.

Принцип микропрограммного управления

Работа ЭВМ заключается в последовательном преобразовании цифровой информации, которое осуществляется в операционном устройстве (ОУ).

Функционально и структурно ОУ подразделяется на две части: операционный автомат (ОА) и управляющий автомат (УА).

Для ОУ характерно наличие аппаратно реализованных элементарных операций, называемых микрооперациями. Множество микроопераций должно быть таким, чтобы этих элементарных операций было достаточно для выполнения всех более сложных операций, возложенных на ОУ.

Все операции более сложные, чем микрооперации выполняются по принципу микропрограммного управления, состоящему в следующем

1. Л юбая операция рассматривается как сложное действие, требующее выполнения определенной последовательности микроопераций над словами цифровой информации. Причем порядок следования микроопераций может зависеть от обрабатываемых данных.

2. Собственно микрооперации выполняются в ОА под воздействием управляющих сигналов , формируемых в УА.

3. Для управления последовательностью микроопераций состояния ОА отображаются множеством сигналов, называемых сигналами логических условий (или логическими условиями), которые в зависимости от результатов преобразования информации принимают значения “истина” или “ложь” (1 или 0).

4. Процесс выполнения операции в ОУ описывается в форме алгоритма, представленного в терминах микроопераций.

- множество входных слов, вводимых в автомат в качестве операндов.

-множество выходных слов, представляющих результаты выполнения операций.

- множество сигналов, инициирующих выполнение микроопераций.

- множество логических условий, отражающих состояния ОА.

ОА осуществляет хранение информации, задающей исходные, промежуточные и конечные результаты преобразования информации, осуществляет преобразование информации, а так же вычисляет значения логических условий.

УА отображает информацию о ходе выполнения операции, вырабатывает сигналы инициирующие выполнение микроопераций.

Структурная схема автомата Мура на жесткой логике

Структурная схема автомата Мура состоит из следующих цифро­вых узлов (Рисунок 3.16):

П амять состояний (ПС), де­шифратор состояний (DC), комбинационная схема фор­мирования сигналов управ­ления элементами памяти состояний (КС_F), комбина­ционная схема формирова­ния выходных сигналов ав­томата (КС_У). Взаимодейст­вие узлов автомата следую­щее. Автомат находится в некотором состоянии a_m, код которого Ka_m в виде значений Q на вы­ходе триггеров памяти состояний (ПС) подается на вход дешифратора состояний (DC), на выходе которого собственно и формируются зна­чения переменных a_m. На выходах комбинационной схемы КС_У формируются микрокоманды У, а на выходах схемы КС_F формируются значения функций управления элементами памяти, которые обеспечивают переход автомата в новое состояние a _s при поступлении импульса синхронизации С на вход синхронизации ПС.

На рис.3.18 приведены временные диаграммы, поясняющие работу автомата Мура. Находясь в некотором состоянии a _i автомат вырабаты­вает выходной сигнал (микрокоманду) y_j ,соответствующий этому состоя­нию. В это же время формируются сигналы управления элементами памяти D _i , которые определяют следующее состояние автомата в зависимости от теку­щего и значений логи­ческих условий x _i. При поступлении на вход синхронизации авто­мата положительного фронта импульса С, ав­томат переходит в но­вое состояние, определяемое значениями D _i на входах триггеров Т₂ Т₁ Т₀.

Принцип управления по хранимой программе.

Рассмотренная выше реализация микропрограммного автомата на жесткой логике приводят к различным схемным решениям в зависимости от исходных ГСА. А это значит, что при изменении функции автомата (изменении ГСА) необходимо изменять либо заново проектировать его схему. Реализация автомата на программируемых матрицах (ПЛМ – однократно программируемых), при незначительных изменениях в алгоритме работы автомата, требует программирования новых ПЛМ. Этого недостатка лишены автоматы с программируемой логикой. Алгоритм функционирования автомата с программируемой логикой представляется в виде закодированной микропрограммы, которая может загружаться в перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) или в оперативные ЗУ (ОЗУ). Изменения в алгоритме отражаются в микропрограмме, но не влияют на схему автомата.

Напомним, что функция микропрограммного управляющего автомата определяется:

• множеством входных сигналов (логических условий): Х = {х₁, х₂ …х _n };

• множеством выходных сигналов (микрокоманд): У = {у₁, у₂ …у _k };

• микропрограммой (ГСА), задающей порядок следования выходных сигналов У в зависимости от значений входных сигналов X.

Если автомат Мура описан прямой таблицей переходов, то для каждого состояния a_m известно:

• множество выходных сигналов У(a_m), вырабатываемых автоматом в состоянии a_m;

• множество входных сигналов Х(a_m), определяющих все возможные переходы автомата из состояния a_m в состояние a_s;

• множество состояний a_s, в которые может перейти автомат из состояния a_m (обозначим A(a_m).

Для каждого состояния автомата Мура (а значит для каждой операторной вершины ГСА) эту информацию, необходимую и достаточную для описания закона функционирования автомата, можно закодировать и представить двоичным словом (микрокомандой – не путать с выходным сигналом автомата у_i, который часто так же называют микрокомандой !), которое имеет следующую структуру:

№

уm1

уm2

…

уmk

хm1

хm2

…

хmn

аm1

аm2

…

аms

где:

№ – номер двоичного слова, соответствующего состоянию автомата а_m (или его адрес ЗУ, где будет храниться микропрограмма);

у_mi – выходной сигнал (микрокоманда), который должен вырабатывать автомат в данном состоянии а_m; в общем случае таких сигналов k; эта часть двоичного слова называется операционной;

х_mi – входной сигнал (логическое условие), участвующее хотя бы в одном переходе из a_m в a_s ; в общем случае таких сигналов n; эта часть двоичного слова называется управляющей;

а_mi – одно из состояний а_s , в которое может перейти автомат из состояния а_m при определенных значениях логических условий х_mi. Поскольку описание одного состояния – это одно двоичное слово, имеющее свой адрес в ЗУ, а_mi можно считать адресом состояния а_mi в ЗУ; в общем случае таких состояний s. Если количество логических условий в слове равно n, то количество а_mi равно 2 в степени n. Эта часть двоичного слова называется адресной.

Лекция 10.