27. Два подхода к построению управляющих автоматов. Методы синтеза управляющих автоматов (уа) (аппаратные, программные)

Существует два принципиально разных подхода к проектированию микропрограммного автомата (управляющего устройства): использо­вание принципа схемной логики и использование принципа программи­руемой логики.

В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интегра­ции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обес­печивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессора определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, основанные на таком принципе схемной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессора состоит в трудности использо­вания БИС и СБИС. Это связано с тем, что при использовании схемного принципа каждый разрабатываемый процессор окажется индивидуаль­ным по схемному построению и потребует изготовления индивидуаль­ного типа БИС. Тогда выпускаемые промышленностью БИС окажутся узкоспециализированными, число выпускаемых типов БИС будет боль­шим, а потребность в каждом типе БИС окажется низкой. Выпуск многих типов БИС малыми сериями по каждому типу для промышлен­ности окажется экономически невыгодным.

Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому подходу в про­ектировании цифровых устройств, основанному на использовании принципа программируемой логики. Этот подход предполагает постро­ение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универ­сального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. специализация устройства на выполнение определенных функций) обес­печивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы). В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуе­мое управление операционным устройством при решении самых разно­образных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, окажется небольшим, а потреб­ность в БИС каждого типа высокой, что обеспечит целесообразность их выпуска промышленностью.

До сих пор речь шла о построении управляющих устройств процес­соров. Теперь рассмотрим условия для широкого использования БИС в операционных устройствах процессоров. Можно построить операцион­ное устройство с таким набором узлов и такой схемой их соединения, которые обеспечили бы решение разнообразных задач. Задача, решае­мая подобным универсальным операционным устройством, определя­ется тем, какая микропрограмма хранится в управляющем устройстве. Таким образом, независимо от решаемой задачи может быть использо­вано одно и то же операционное устройство. Благодаря тому, что по­требность в таких устройствах окажется высокой, они могут быть построены с использованием БИС. использованием принципа схемной логики, а операционное устройст­во выполняется в виде устройстаа, специализированного для решения конкретной задачи.

 

Процессор, построенный на одной или нескольких БИС, называется микропроцессором.

Набор БИС, обеспечивающих построение цифровых устройств, об­разует микропроцессорный комплект (МПК). Он позволяет совместно со сравнительно небольшим числом микросхем средней и малой степени интеграции создавать миниатюрные вычислительные устройства для разнообразных применений.

С помошью МПК реализуются микропроцессорные системы (МПС). Если в устройстве, построенном на принципе схемной логики, любое изменение или расширение выполняемых функций влечет демонтаж устройства и монтаж другого устройства по новой схеме, то в МПС благодаря использованию принципа программируемой логики измене­ние функций может быть достигнуто заменой хранящейся в памяти программы новой программой, соответствующей новым функциям уст­ройства. Подобная гибкость вместе с другими связанными с использо­ванием БИС достоинствами (низкой стоимостью, малыми размерами), а также высокая точность и помехозащищенность, характерные для цифровых методов, обусловили бурное внедрение МПС в различные сферы производства, научные исследования и бытовую технику.

Цифровые автоматы

Процессор является примером цифрового автомата — устройства, осуществляющего прием, хранение и преобразование дискретной ин­формации по некоторому алгоритму. Теорию автоматов подразделяют на абстрактную и структурную. Абстрактная теория изучает поведе­ние автомата, отвлекаясь от структуры (т.е. способа его построения, схемной реализации).

Автомат под действием входных сигналов принимает состояния в соответствии с набором значений входных сигналов и выдает сигнал, зависящий от внутреннего состояния либо от внутреннего состояния и входных сигналов. Для хранения внутреннего состояния автомат должен иметь память; таким образом, автомат является устройством с памятью, т.е. устройством последовательностного типа.

Несмотря на то что реальные автоматы могут иметь несколько входов и выходов, на каждом из которых в дискретные моменты времени (определяемые тактом работы) образуются сигналы, соот­ветствующие лог.О и лог.1, в абстрактной теории удобно рассматри­вать автоматы с одним входом и одним выходом. Возможность такого рассмотрения заключается в следующем. Пусть число реаль­ных входов равно двум. Так как на каждом входе может быть лог.О или лог.1 у автомат оказывается под воздействием в каждый тактовый момент одного из четырех входных сигналов: jc, = (0,0), х2 = (0,1), хг = (1,0), хА = (1,1), jc, , х2, jc3, jc4 — отдельные значения переменной X.

Аналогично несколько реальных выходов приводятся к одному вы­ходу Функционирование цифрового автомата происходит на трех множествах:

множестве возможных входных сигналов jc, , jc2,

множестве внутренних состояний а0, ах,..., ак\

множестве возможных выходных сигналов У1,У2 •••

Одно из состояний является начальным (состояние а^, и перед нача­лом работы автомат всегда устанавливается в это состояние. Работа автомата определяется следущими функциями: функцией переходов, функцией выходов, определяющей зависимость выходного сигнала автомата y(t) от состояния автомата a(t) и входного сигнала х(г):

Автомат с такой функцией Выходов называется автоматом Мили. Другой тип автомата — автомат Мура. Особенность автомата Мура в том, что в нем выходной сигнал зависит лишь от внутреннего состояния a(t) и не зависит от входного сигнала. Функционирование автомата может быть задано в форме таблиц переходов и выходов либо с помощью так называемого графа.

Задание автомата Мили в виде таблицы переходов и выходов пред­ставлено в табл. 4.1. Здесь в клетках, расположенных на пересечении столбцов текущего состояния автомата строками текущего значения входного сигнала указываются следующее состояние (состояние в следующем такте) и значение выходного сигнала (напри­мер, функционирование этого же автомата в форме графа представлено на рис. . Граф состоит из узлов, отождествляемых с состояниями автомата. Связи между узлами показывают переходы автомата из одно­го состояния в другое под воздействием входных сигналов. На каждой связи указывается формируемый на выходе автомата сигнал. Задавая произвольное входное слово в виде последовательности сигналов Х| можно определять соответствующее выходное слово для данного автомата:

входное слово х, х2 х2 х, х2 х, х, х2 ...

состояние автомата а0 а0 ах а2 а3 а0 а0 ах аъ аъ

выходное слово ух у2 ух ух ух ух у2 у2 у3 ...

Пример задания автомата Мура в форме таблицы переходов и выхо­дов показан в табл.. Соответствующий этому автомату граф приве­ден на рис