Устройства управления на основе автоматов Мили и Мура, интерпретирующих заданную микропрограмму

Схемные устройства управления можно построить, используя автоматную интерпретацию микропрограмм. В этом случае схемно реализуется автомат Мили или Мура, закон функционирования которого соответствует заданной микропрограмме.

Автомат представляет собой последовательностную схему, полностью описываемую шестеркой элементов:

А = { A, Z, U, j, y, a₀ },

где A = { a ₀, a ₁,..., a_{m -1}} – множество состояний автомата, Z = { z ₀, z ₁,..., z _r} и U = { u ₀, u ₁,..., u_j } – множества входных (входной алфавит) и выходных сигналов (выходной алфавит) соответственно; j – функция переходов автомата, задающая отображение декартова произведения A ´ Z множеств A и Z на множество A, т.е. соответствие между всевозможными парами состояние – входной сигнал { a_i, a_j } и новым состоянием a_k автомата; y – функция выходов, задающая отображение A ´ Z ® U для автомата Мили или отображение A ® U для автомата Мура; a ₀ Î A – начальное состояние автомата.

Определяемый таким образом автомат называют абстрактным.

При технической реализации автомата с соответствующим заданной микропрограмме законом функционирования элементы множества A, т. е. состояния абстрактного автомата, кодируются и в схему автомата вводится набор элементов памяти по числу разрядов в кодах состояний. Множество Z входных сигналов отображается на множество сигналов логических условий X = { x ₀, x ₁,..., x_p }, поступающих в УУ из операционной части процессора, а в схему автомата вводится столько входов, сколько имеется различных логических условий. Множество U выходных сигналов отображается на множество управляющих сигналов (сигналов микроопераций) Y = { y ₀, y ₁,..., y_n }, вырабатываемых УУ, а в схему автомата вводится n выходных шин по числу различных управляющих сигналов. Кроме того, для обеспечения дискретности автоматного времени в схеме автомата применяется синхронизация синхроимпульсами, подаваемыми на специальный вход синхронизации автомата. Такой автомат (рис. 3.11) называют структурным.

Рис. 3.11. Структурный автомат

Структурный автомат состоит из комбинационной схемы КСх и памяти П. На вход КСх поступают входные сигналы x_i (логические условия) и синхросигналы СИ, а на ее выходе формируются управляющие сигналы y_j. КСх вырабатывает также сигналы возбуждения q_k, вызывающие переключения элементов памяти, т.е. переходы автомата в новые состояния. Между КСх и П имеется обратная связь, по которой сигналы состояний Q_k элементов памяти автомата поступают на входы комбинационной схемы.

Имеется развитый формальный аппарат синтеза автоматов, вырабатывающих управляющие сигналы согласно заданной микропрограмме, изучаемый в дисциплине “Теория автоматов”.

Микропрограммные устройства управления

Альтернативой схемному управлению ЭВМ является микропрограммное управление, позволяющее построить достаточно экономичные УУ.

Модель микропрограммного управления была предложена М. Уилксом в 1951 г. В настоящее время микропрограммные устройства управления (МПУУ) используются в различных ЭВМ.

Структурная схема МПУУ представлена на рис. 3.12. В состав устройства входят постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), регистр адреса микрокоманды (РАМК), регистр микрокоманды (РМК), схема формирования управляющих сигналов (СФУС), схема формирования адреса микрокоманды (СФАМК) и генератор тактовых синхронных импульсов (ГТИ).

Рис. 3.12. Структурная схема микропрограммного устройства управления

В ПЗУ записаны все микрокоманды, которые могут вырабатываться конкретным микропрограммным устройством управления. Регистр адреса микрокоманды предназначен для хранения кода адреса микрокоманды во время выборки ее из ПЗУ. Регистр микрокоманды используется для хранения микрокоманды, выбранной из ПЗУ, на время ее выполнения. Схема формирования управляющих сигналов (СФУС) служит для выработки управляющих сигналов (сигналов микроопераций), задаваемых микрокомандой, находящейся на РМК. Схема формирования адреса микрокоманды вырабатывает адрес очередной подлежащей выполнению МК. Генератор тактовых синхроимпульсов вырабатывает синхронизирующие сигналы, обеспечивающие согласование функционирования всех узлов МПУУ в процессе выполнения микрокоманды.

Узлы рассмотренной структурной схемы фактически соответствуют первоначальной модели микропрограммного управления. Новым узлом является схема формирования управляющих сигналов, используемая для сокращения разрядности поля управляющих сигналов в микрокомандах.

К достоинствам микропрограммного управления относят простоту проектирования, тестирования и эксплуатации; легкость внесения изменений в список команд; регулярность схемы, облегчающей ее изготовление методами технологии больших интегральных схем (БИС). А его недостаток – не очень высокое быстродействие, ограниченное временем цикла постоянной памяти.

Достоинством схемного управления является его высокое быстродействие. Поэтому в больших ЭВМ используется в основном схемное управление или его сочетание с микропрограммным. Однако трудоемкость проектирования, малая регулярность схем, сложность проверки и внесения изменений в схемные УУ усложняют их изготовление технологиями БИС.

Вопросы для самопроверки по теме 3.3

1. Каковы основные функции устройства управления?

2. Какие варианты реализации устройств управления существуют?

3. Что такое принудительный порядок следования команд?

4. Каковы основные этапы выполнения команды?

5. Чем различается выполнение операционных и управляющих команд?

6. Для чего используются различные способы адресации?

7. Как строятся схемные устройства управления?

8. К чему приводит зависимость между входными и управляющими сигналами при реализации разветвлений в микропрограмме?

9. Для чего служит постоянное ЗУ в микропрограммном устройстве управления?

10. Назовите достоинства и недостатки микропрограммных УУ.

Дата добавления: 2015-08-13