Концепция операционного и управляющего автоматов

Принцип микропрограммного управления

Для выполнения операций над информацией используются операцион­ные устройства - арифметико-логические, управления, контроллеры ВУ и т. п. Функцией операционного устройства является выполнение заданного множества операций F = {f₁, f₂, …., f_k} над входными сло­вами из множества D_l с целью вычисления выходных слов из мно­жества D₀, представляющих результаты операций D₀=f_k (D_I), k = l,..., K.

Функциональная и структурная организация операционных устройств, опре­деляющая порядок функционирования и структуру устройств, базируется на принципе микропрограммного управления, который состоит в следующем [7]:

1.Любая операция f_k, реализуемая устройством, рассматривается как слож­ное действие, которое разделяется на последовательность элементарных действий над словами информации, называемых микрооперациями.

2. Для управления порядком следования микроопераций используются логи­ческие условия, которые, в зависимости от значений слов, преобразуемых микрооперациями, принимают значения " истина" или " ложь" (1 или 0).

3. Процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алго­ритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий и называемого микропрограммой. Микропрограмма определяет порядок проверки значений логических условий и следования микроопераций, не­обходимый для получения требуемых результатов.

4. Микропрограмма используется как форма представления функции устрой­ства, на основе которой определяются структура и порядок функциониро­вания устройства во времени.

Сказанное можно рассматривать как содержательное описание принципа микропрограммного управления, из которого следует, что структура и поря­док функционирования операционного устройства предопределяются алго­ритмами выполнения операций из F.

Концепция операционного и управляющего автоматов

В функциональном и структурном отношении операционное устройство, входящее в состав ЭВМ, удобно представить разделенным на две части: опе­рационный и управляющий автоматы (рис. 4.1).

Операционный автомат (ОА) служит для хранения слов информации, вы­полнения набора микроопераций и вычисления значений логических усло­вий, т. е. операционный автомат является структурой, организованной для выполнения действий над информацией. На вход ОА подаются входные дан­ные D_I, которые в соответствии с алгоритмом операции преобразуются в выходные данные D₀. Кроме того, ОА вырабатывает множество {х} осведо­мительных сигналов (логических условий) для управляющего автомата.

Управляющий автомат (УА) генерирует последовательность управляющих сигналов {у}, обеспечивающую выполнение в операционном автомате задан­ной последовательности элементарных действий, которая реализует алгоритм выполняемой операции. Управляющая последовательность генерируется в соответствии с заданным алгоритмом и с учетом значений логических усло­вий х, формируемых ОА.

Часто операционное устройство может выполнять несколько различных опе­раций (например, арифметико-логическое устройство может выполнять четыре арифметических действия и несколько логических операций над вход­ными словами). В этом случае на вход УА поступает команда С, опреде­ляющая тип выполняемой операции. Кроме того, поскольку различные опе­рации над различными данными выполняются за разное время, УА формиру­ет сигнал g, отмечающий окончание операции и готовность выходных данных.

Таким образом, любое операционное устройство — процессор (который обычно, в свою очередь, представляют состоящим из двух операционных устройств: АЛУ — арифметико-логического устройства и ЦУУ — централь­ного устройства управления), канал ввода/вывода, контроллер внешнего уст­ройства — можно представить как композицию операционного и управляю­щего автоматов. Операционный автомат, реализуя действия над словами информации, является исполнительной частью устройства, работу которого организует управляющий автомат, генерирующий необходимые последова­тельности управляющих сигналов.

Такой подход позволяет разработать эффективные процедуры синтеза ОА и УА, формализовать эти процедуры и, в некоторых случаях, автоматизировать процесс синтеза цифровых устройств.