Тема 4. Цифрові комп’ютери Лабораторна робота

КЕРУЮЧІ АВТОМАТИ З ПРОГРАМОВАНОЮ ЛОГІКОЮ

Мета роботи. Дослідження та закріплення теоретичних знань по синтезу керуючих автоматів (КА) з програмованою логікою.

Основні завдання роботи

1. Отримати варіант домашнього завдання.

2. Вивчити теоретичну частину роботи.

3. Виконати синтез КА з програмованою логікою:

• ­побудувати закодовану мікропрограму операції;

• визначити формат мікрокоманди;

• розробити структуру КА

• підготувати початкові дані для ПП «Мікрокод».

Основні теоретичні відомості

При синтезі КА з програмованою логікою основними задачами є вибір способу кодування мікрооперацій (МО) і формування адреси наступної мікрокоманди (МК). За аналогією з кодом команди в МК виділяють операційну та адресну частини.

Для кодування операційної частини (ОЧ) застосовують горизонтальний, вертикальний та змішаний способи.

Горизонтальний і вертикальний способи реалізують мінімальну і максимальну ступені кодування. У першому випадку розрядність ОЧ максимальна і дорівнює , де М - загальне число МО. У другому випадку довжина ОЧ - мінімальна і дорівнює:

Змішане кодування поєднує горизонтальний і вертикальний способи. Множина МО Y розбивається на “K” підмножин (полів) Y_i. На практиці знайшов спосіб кодування ОЧ МК, коли підмножини Y_i кодуються горизонтально, а МО всередині підмножин - вертикально. Довжина ОЧ МК дорівнює

де - число МО, що представляються у полі і.

Проблема полягає в пошуку способу розбиття множини Y на підмножини , який мінімізує обсяг пам'яті мікрокоманд. З цього випливає необхідність, щоб число полів було мінімальним і кожна МО представлялася лише в одному полі, тобто:

(1)

Окрім того, підмножини Y₁,…,Y_k повинні відповідати вимозі повноти

. (2)

Умови (1), (2) висувають умову несумісності МО одного поля. Дві МО називаються несумісними, якщо виключена принципова можливість виконання їх в одному машинному такті. Відношення МО задаються матрицею сумісності S, яка є булевою і симетричною:

Існує ряд способів рішення задачі змішаного кодування МК.

Одним із них є метод прямого включення. Сутність його полягає в тому, що процес розподілу МО Y=(y₁,…,y_M) по полях Y₁,Y₂,…,Y_k мікрокоманди розділяється на М кроків. На кожному кроці для чергової МО відшукується таке поле , вона несумісна з жодною МО цього поля. Якщо серед полів Y₁,Y₂,…,Y_t такого поля не існує, то для цієї МО вводиться нове поле Y_t+1.

Стан процесу включення на кожному кроці характеризується матрицею включення:

Таким чином, умова включення МО y_i в поле Y_p формулюється так. МО включається в поле Y_p, якщо i-й рядок S_i матриці S не перетинається з р-м рядком R_p матриці R, тобто:

Приклад. Виконати розподіл МО Y=(y₁,y₂,…,y₆), відношення сумісності яких задано матрицею:

1. Для МО y₁ призначимо поле Y₁

.

2. Визначаємо поле для МО y₂. Оскільки , то для y₂ призначаємо нове поле Y₂

3. Визначаємо поле для МО y₃. Оскільки , то МО y₃ включається в поле Y₁

4. Визначаємо поле для МО y₄. Оскільки , то МО y₄ включається в поле Y₁

5. Призначимо поле для МО y₅. Оскільки , то МО y₅ включається в поле Y₁

6. Призначимо поле для МО y₆. Оскільки і , то МО y₆ включається в поле Y₃

Таким чином, одержимо такий розподіл МО

Визначимо довжину ОЧ МК і закодуємо МО в підмножинах Y_i (табл. 1)

.

Таблиця 1

Підмножини МО

						Примітки
-	000	-	0	-	0	Немає МО
	001		1		1
	010
	011
	100

2. Для реалізації змішаногоь йогоючення, МК.ереходів:в кодування вихідна інформація задається матрицею сумісності S, яка може формуватися двома способами.

2.1. Матриця складається з урахуванням структурних обмежень, що накладаються ОА. Ознаки сумісності встановлюються між кожною парою МО y_i, y_j. Нехай в ОА із закріпленням МО реалізується такий список МО:

З урахуванням сказаного матриця S має вигляд

2.2. Формування матриці S ґрунтується на аналізі МП, у МК яких визначаються МО, що використовуються спільно. У матриці S елемент S_ij=1, якщо МО y_i і y_j використовуються в одній МК. Сумісні МО y_p і y_t, але такі, що не використовуються спільно в МК помічаються ознакою несумісності S_pt=0.

Такий підхід призводить до зменшення числа “1” у матриці S, в результаті значно більше число МО розглядається як несумісні й об’єднуються в одну підмножину (поле). Це дозволяє скоротити довжину ОЧ МК, але при цьому губиться універсальність МК, оскільки зміни, що вносяться в МК, можуть породити нові функціональні оператори, що реалізуються за декілька тактів.

3. У відносно простих КА застосовується природна адресація МК. Адреса наступної МК визначається шляхом збільшення на 1 адрес поточної МК. Природна адресація припускає використання МК двох типів – операційної й керуючої (рис. 1). Операційна МК визначає набір МО й неявно задає адресу наступної МК на 1 більше поточної. Керуюча МК використовується для зміни природного порядку виконання МК.

S	Y1	…	Yk			S	X	B
Операційна МК						Керуюча МК

Рис.1

Показник S визначає тип МК:

У полі Х кодуються сигнали логічних умов (ЛУ), поле В вміщує адресу наступної МК:

Розрядність полів Х і В визначається так:

де N- число оригінальних сигналів ЛУ, Р - число МК в МП.

Приклад. Визначити довжину керуючої МК і закодувати сигнали ЛУ (x₁,…,x₄). Число МК Р=14.

Закодовані сигнали ЛУ наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Сигнали логічних умов

	-
Х	000	001	010	011	100

Обладнання, прилади та матеріали

ЛР пов’язана з розв’язанням задачі синтезу КА з програмованою логікою. Для проведення ЛР використовується комп’ютерний клас.

Заходи безпеки при виконанні ЛР

Заходи безпеки відповідають вимогам, яким необхідно дотримуватись при роботі в комп’ютерному класі.

Порядок виконання роботи

1. В лабораторному зошиті наводяться мета, завдання та синтез КА з програмованою логікою.

2. Результати домашнього завдання необхідно представити викладачу.

3. При синтезі структури мікрокоманди використовується ПП «Мікрокод»[4]. Початковими даними для програми є ГМП і список мікрооперацій однойменного варіанта лабораторної роботи №1, тема 3.

4. У домашньому завданні синтезуються два варіанти операційних МК, обумовлених способами формування матриці S. У якості робочої вибирається МК, що має меншу розрядність. Розбиття мікрокоманди Y на підмножини (поля) Y_i порівнюється з результатами ПП “Мікрокод”.

5. Розрядність операційної і керуючої МК вибирається однаковою. Більш коротка МК доповнюється нульовими розрядами.

6. При природній адресації число МК «Р» визначається як сума операторных і умовних вершин ГМП. Операторним вершинам відповідають операційні МК, умовним вершинам – керуючі МК.

7. Для побудови закодованої МП вершини ГМП відмічаються адресами. На переході, де неможлива природна адресація, вводять додаткову керуючу МК, що забезпечує безумовний перехід до потрібної МК. На ГМП (рис.2) знаками 0) ,..., 6) позначені адреси МК. Адресою 5) відмічена керуюча МК, що реалізує перехід від МК з адресою 4) до МК з адресою 1). Адресу 6) має МК, що визначає кінець МП. Це може бути операційна МК, у якій у i-у полі закодована ознака кінця МП. Закодована МП має заголовок (рис. 3).

8. Структурна схема КА повинна містити пам'ять МК, регістр МК, дешифратори полів схему, що виробляє ознаку МП=0, лічильник адреси МК.

Рис. 2. ГМП

B

X

S

S

Y₁

Y_k

Адреса МК	МК
	0	1	2	3	4	…	n
0
1
2
3

Рис. 3. Закодована МП

Оформлення результатів експерименту

Результатом ЛР є формат мікрокоманди та структура КА з програмованою логікою.

Обробка експериментальних даних

Порівнюються результати, які отримані в домашньому завданні та ПП «Мікрокод».

Аналіз одержаних результатів

Формулюються висновки по результатам виконання ЛР.

Запитання для самоперевірки

1. Поясніть принцип роботи КА з програмованою логікою.

2. Які способи кодування операційної частини МК?

3. Які мікрооперації називаються сумісними?

4. Як формується матриця сумісності S?

5. У чому полягає сутність методу прямого включення?

6. Як сформувати ознаку кінця МП?

7. З якою метою в МП вводять додаткові керуючі МК?

8. Назвіть типи МК, які застосовуються при природній адресації.

9. Як визначити довжину поля Х?

10. Від чого залежить розрядність лічильника адреси МК?

Джерела

[3].