Если необходимо построить микропрограммный автомат Мили, то содержательная ГСА управляющего автомата размечается в соответствии со следующими правилами:

1) символом состояния a₁ отметить вход вершины, следующей за вершиной «Начало», а также вход вершины «Конец»;

2) входы всех вершин, следующих за операторными, должны быть отмечены символами а с последовательными индексами;

3) если выход вершины отмечается, то только одним символом;

4) входы различных вершин, за исключением вершины «Конец», отмечаются различными символами;

5) содержательные термины микроопераций и логических условий. заменяются их условными обозначениями: в каждой операторной вершине последовательно проставляются символы выходных сигналов, если в различных операторных вершинах записаны одинаковые микрооперации, то разрешается их отмечать одинаковыми символами выходных сигналов; если в различных условных вершинах записаны одинаковые логические условия, то разрешается их отмечать одинаковыми символами входных сигналов.

6.2 Построение отмеченной ГСА автомата Мура

Если необходимо построить микропрограммный автомат Мура, то содержательная ГСА управляющего автомата размечается в соответствии со следующими правилами:

1) символом a₁ отмечаются вершины «Начало» и «Конец»;

2) различные операторные вершины отмечаются различными символами;

3) все операторные вершины должны быть отмечены.

4) содержательные термины микроопераций и логических условий. заменяются их условными обозначениями.

Содержательная ГСА (рис. 3.) после разметки по приведенному алгоритму представлена на рис. 5.

После получения отмеченной ГСА строится граф переходов автомата. Он имеет столько различных вершин, сколько различных букв а_i с индексами имеется в отмеченной ГСА. Каждая вершина графа переходов автомата отмечается буквой а с соответствующим индексом.

Между двумя вершинами графа имеется дуга, если на отмеченной ГСА между вершинами с метками a_i и a_k, имеется путь. Над дугой ставится входной сигнал, равный конъюнкции логических условий соответствующего пути в отмеченной ГСА. При этом выполнению логического условия соответствует переменная без отрицания, а невыполнению логического условия - переменная с отрицанием на соответствующей дуге графа переходов автомата.

Если в отмеченной ГСА между упомянутыми вершинами с метками a_i и а_k имеется несколько путей, то в графе переходов автомата на дуге, связывающей а_i и а_k через символ дизъюнкции перечисляются все конъюнкции, соответствующие имеющимся путям.

Если строится граф переходов автомата Мура, то символы микроопераций (выходные сигналы управляющего автомата) записываются около соответствующих его вершин. Для автомата Мили символы микроопераций записываются на соответствующих дугах при конъюнкциях логических условий, описывающих путь через операторную вершину с рассматриваемой микрооперацией.

Если в отмеченной ГСА имеется безусловный переход между операторными вершинами, т.е. путь, не проходящий ни через какие условные вершины, то на графе переходов автомата ему соответствует дуга, которой приписывается входной сигнал «1», показывающий, что данный переход в автомате осуществляется при поступлении очередного синхросигнала.

В дальнейшем синтез проводится с помощью описанного ранее метода структурного синтеза. Подчеркнем, что входными сигналами синтезируемого структурного автомата являются конъюнкции булевых переменных (или дизъюнкции конъюнкций), каждая из которых отображает путь через соответствующие условные вершины отмеченной ГСА, а выходными сигналами - микрооперации, обозначающие либо вершины, либо дуги графа переходов автомата, в зависимости от его типа. Используя канонический метод структурного синтеза, можно построить функциональную схему автомата.

7. Построение УА с программируемой логикой на основе ПЗУ

В отличие от УА с жесткой логикой, закон функционирования которого обеспечивается определенным образом соединенными логическими элементами, в автоматах, построенных на основе ПЗУ, заданная микропрограмма реализуется в явной форме и хранится в памяти в виде последовательности управляющих слов. Управляющее слово определяет порядок работы устройства в течение одного такта и называется микрокомандой (МК). Она содержит информацию о микрооперациях, которые должны выполняться в данном такте, и (или) об адресе следующей микрокоманды.

Формат МК в общем случае может иметь операционно-адресную структуру.

Микрокоманда может содержать следующие части:

- операционную часть Y, состоящую из одного или нескольких полей, в каждом записывается номер выходного сигнала y_j, вырабатываемого в данном такте;

- адресную часть, состоящую из поля X, в которое записывается номер логического условия X_i (обычно единственного), проверяемого в данном такте;

Рисунок 6. Обобщенная структурная схема управляющего автомата, построенного на основе ПЗУ

- а также из поля A, в которое записывается информация об адресе следующей МК;

- служебную часть Р, содержащую вспомогательную управляющую информацию.

Обобщенная структурная схема УА, выполненного на основе ПЗУ, дана на рис. 6.

Перед началом работы на УА подается сигнал СБРОС, устанавливающий все триггеры автомата и регистра микрокоманд (РМК) в нулевое состояние. Этим обеспечивается занесение содержимого нулевой ячейки ПЗУ в РМК при поступлении первого тактового импульса после подачи стартового сигнала В.

С помощью дешифратора ДШУ вырабатывается соответствующий выходной сигнал y_j, а с помощью ДШХ определяется номер логического условия X_i, проверяемого в данном такте. В зависимости от значения X_i, прошедшего через схему выбора ЛУ, и информации, поступающей из адресного поля А, устройство формирования адреса следующей МК (УФ АМК) вырабатывает адрес ячейки ПЗУ, содержимое которой будет переписано в РМК в следующем такте. На УФ АМК может также поступать внешний управляющий сигнал V, обеспечивающий, например, выбор определенного алгоритма из тех, чьи микропрограммы хранятся в ПЗУ автомата.

Схема управления СУ (в некоторых вариантах УА она может отсутствовать) разрешает работу ДШУ или ДШХ в зависимости от содержимого служебной части Р формата команд. В последнем такте выполнения микропрограммы на выходе ДШК вырабатывается дополнительный сигнал ум+1, используемый как сигнал F, останавливающий работу автомата и осуществляющий сброс всех его триггеров.

Таким образом, структура УА с хранимой в ПЗУ логикой стандартна, и в этом заключается одно из преимуществ рассматриваемой реализации автомата. Поэтому основные усилия направляются не на получение структурной схемы, а на составление кодированной микропрограммы, которая записывается в ячейки ПЗУ, т.е. центр тяжести при разработке УА смещается с аппаратных на программные средства.

Процедура построения УА с хранимой логикой по имеющейся ГСА заключается в следующем.

1. Выбирают способ адресации и формат микрокоманд, причем стремятся сократить число двоичных разрядов в формате МК, что, как правило, позволяет уменьшить объем оборудования ПЗУ. При этом учитывают реальное быстродействие отдельных узлов УА и необходимость обеспечения заданного быстродействия автомата в целом. При необходимости используют структурные методы повышения быстродействия УА.

2. Производят разметку ГСА в соответствии с правилами, которые определяются выбранным способом адресации.

3. Составляют кодированную микропрограмму в виде таблицы, строки которой соответствуют отметкам на ГСА.

4. Выбирают типы необходимых микросхем и составляют структурную и принципиальную схемы автомата.

Выполнив перечисленные этапы, переходят к технической реализации УА, которая во многом зависит от способа записи информации в используемое ПЗУ.

Рассмотрим особенности выполнения отдельных этапов указанной процедуры.

При построении УА используются главным образом два вида адресации:

а) принудительная (в каждой МК указывается адрес следующей МК);

б) естественная (адрес следующей МК в явном виде указывается лишь в некоторых МК, а в остальных случаях он принимается равным увеличенному на единицу адресу предыдущей микрокоманды).

Формат МК при принудительной адресации может содержать как два адресных поля АО, А1, (рис. 7. а) так и одно АО (рис. 7.б).

а)

б)

Рисунок 7

В первом случае адрес следующей МК определяется в зависимости от значения проверяемого в данном такте условия Xi следующим образом: в качестве адреса используется содержимое поля АО, если Xi =0, и поля A1 - если Xi = 1; безусловные переходы осуществляются по адресу АО.

Во втором случае переходы при xi = 0, а также безусловные переходы осуществляются по адресу АО, а переходы при Xi = 1 осуществляются к ячейке ПЗУ с адресом А1= АО + 1. Добавление единицы к АО может быть осуществлено с помощью комбинационной схемы инкрементора в блоке УФАМК.

При использовании двух адресных полей АО и А1 разметка ГСА осуществляется следующим образом.

1. Начальная вершина отмечается символом s₀.

2. Каждая операторная вершина, а также конечная вершина отмечаются символом Si, отличным от других вершин. Если число выходных сигналов y_j, записанных в некоторой вершине, превышает число операционных полей в формате команды, то число отметок у такой вершины увеличивают соответствующим образом.

3. Отмечается также каждая условная вершина, если ее вход связан с входом другой условной вершины; это вызвано тем, что в каждом такте анализируется только одно логическое условие xi.

Далее каждой отметке si сопоставляется ячейка ПЗУ с тем же адресом (номером) и таким образом составляется таблица содержимого ПЗУ. Эта таблица является основным результатом логического проектирования автомата наряду с принципиальной схемой УА.

Разметка ГСА при использовании единственного адресного поля АО осуществляется по этим же правилам, к которым добавляется еще одно:

4. Присваиваются дополнительные отметки s', и s», и т.д. каждой условной вершине, к которой подходит несколько стрелок от других условных вершин, так чтобы общее число отметок у такой вершины было равно числу упомянутых стрелок.

Необходимость увеличения числа отметок и числа используемых ячеек ПЗУ обусловлена ограничениями в расположении микрокоманд в ячейках ПЗУ из-за взаимной связи адресов АО и A1 = A0 + 1. Быстродействие УА несколько снижается по сравнению со случаем использования двух адресных полей за счет расхода времени на работу инкрементора. Однако исключение поля Л, из формата МК позволяет уменьшить разрядность ПЗУ.

Дальнейшее сокращение разрядности ПЗУ достигается путем перехода к естественной адресации микрокоманд, при которой обычно используются МК двух типов: операционные и управляющие. (рис. 8., а, б). Типы МК различаются по значению одноразрядного поля признака Р: {0, если МК операционная и 1, если МК управляющая

а) операционная микрокоманда

б) управляющая микрокоманда

Рисунок 8

Вычисление адреса следующей МК производится с помощью счетчика микрокоманд (СМК), который предусматривается в структурной схеме УА (рис. 9.). Операционная МК задает коды вырабатываемых сигналов уj и после ее выполнения автомат переходит к следующей МК по порядку их расположения в ячейках ПЗУ, т.е. осуществляет переход по адресу (СМК)+1, где СМК обозначает содержимое счетчика микрокоманд.

Рисунок 9-Структурная схема УА на основе ПЗУ при использовании естественной адресации

Управляющая МК, содержащая поле логического условия Х и адресное поле А, используется для изменения естественного порядка выполнения МК, т.е. для осуществления условных и безусловных переходов в соответствии со значением проверяемого условия Xi. Если Хi=1, то переход осуществляется по адресу, записанному в поле А, для чего его содержимое переписывается в СМК. Если Xi = 0 или осуществляется безусловный переход, то следующую МК выбирают по адресу (СМК)+1. Таким образом, каждый такт работы УА разделяется на ряд микротактов, в течении которых выполняются действия по формированию выходных сигналов yj и выработке адреса следующей МК.

Разметку ГСА осуществляют по правилам, в которых учитывается то обстоятельство, что анализ Xi и выработка сигналов yj происходят теперь в разных тактах: начальная вершина отмечается символом s₀, каждая из остальных вершин получает отличную от других отметку si; каждая вершина, к которой подходит h стрелок, получает дополнительные отметки s_i^j (1=1,2,…, h-1) так, чтобы общее число отметок у этой вершины стало равным h.

При составлении микропрограммы основной отметке каждой операционной вершины ставится в соответствие операционная МК, а основной отметке каждой условной вершины - управляющая МК, реализующая условный переход. Каждой дополнительной отметке s_i^j ставится в соответствие управляющая МК, реализующая безусловный переход в ячейку ПЗУ, соответствующую основной отметке si.

Составление таблицы начинают с отметки s1 и последовательно рассматривают вершины ГСА в направлении стрелок. При проходе через условную вершину сначала двигаются по направлению стрелок, отмеченных нулем (поскольку такому движению соответствует естественная адресация МК). Адресные поля управляющих МК временно остаются незаполненными. Дойдя до конечной отметки, возвращаются вверх по таблице до первой управляющей МК незаполненным адресным полем и записывают в это поле адрес следующей по порядку свободной ячейки. Далее продолжают движение по ГСА от условной вершины, которой соответствует данная управляющая МК, в направлении дуги, отмеченной единицей. Описанную процедуру возвращения вверх по таблице повторяют до заполнения адресных полей всех управляющих МК, обеспечивая тем самым прохождение всех путей на ГСА.

Сравнение рассмотренных трех вариантов реализации УА на основе ПЗУ с принудительной адресацией и двумя адресными полями, с принудительной адресацией и одним адресным полем, с естественной адресацией показывает, что наименьшую разрядность ПЗУ обеспечивает вариант с использованием естественной адресации. При этом время реализации заданного алгоритма оказывается наибольшим, в основном из-за увеличения общего числа выполняемых микрокоманд. Если при выбранном способе адресации объем оборудования построенного УА оказывается чрезмерным или же быстродействие автомата недостаточно, то можно принять некоторые дополнительные меры.

Так, для уменьшения объема ПЗУ находят рациональное разбиение полного множества выходных сигналов yj на подмножества, каждому из которых выделяется свое операционное поле У так, чтобы общее число разрядов операционной части формата МК было наименьшим. Сокращение длины адресной части формата МК можно получить страничной организацией (сегментацией) ПЗУ.

При этом ПЗУ разбивается на сегменты по 2^q ячеек в каждом и адрес каждой формируется из двух частей: из адреса (номера) соответствующего сегмента и адреса ячейки в нем. Специальной микрокомандой адрес сегмента, в пределах которого осуществляется работа, записывается в отдельный регистр или счетчик, а в последующих МК указывается лишь адрес ячейки в сегменте.

Основным средством повышения быстродействия УА является организация опережающей выборки микрокоманд, т.е. организация конвейерного режима работы микропрограммного ДУ. При этом процесс выборки и дешифрации следующей МК совмещается во времени с процессом выполнения предыдущей МК в ОА.

Другие возможности повышения быстродействия УА заключаются в параллельной выборке нескольких МК, которые затем обрабатываются в порядке, диктуемом микропрограммой, а также в организации параллельного анализа нескольких логических условий при осуществлении сложных переходов. Однако, эти меры требуют существенного увеличения объема оборудования.

8. Общая структура микропроцессорного вычислительного устройства

При создании современной радиоэлектронной аппаратуры используются три основные подхода к реализации дискретных устройств (ДУ): аппаратный, программный и аппаратно-программный. При аппаратном получают ДУ с традиционной «жесткой» логикой, что обеспечивает наибольшее быстродействие устройств, но требует трудоемкой разработки индивидуальной структуры ДУ.

При программном ДУ реализуется в виде программы для готовой универсальной ЭВМ, в качестве которой можно использовать микроЭВМ, предназначенную для встраивания непосредственно в разрабатываемые блоки.

Аппаратно-программный подход предполагает разработку как программных, так и аппаратных средств. Сюда относится реализация ДУ в виде автомата с микропрограммным управлением и хранимой в ПЗУ программой, а также построение ДУ на основе микропроцессора (МП). Этот вариант открывает широкие возможности для применения современных БИС и позволяет в наибольшей степени согласовать разрабатываемые аппаратно-программные средства с особенностями решаемых задач.

Микропроцессор представляет собой функционально законченное цифровое устройство, выполненное в виде одной или нескольких БИС и предназначенное для выполнения операций по обработке информации и управлению в соответствии с хранимой в памяти программой. Необходимо отметить, что термин «микропроцессор», несмотря на широкое распространение, не имеет строгого определения. Это обусловлено прежде всего наличием большого числа сильно различающихся между собой типов МП, а также их постоянным развитием.

В узком смысле МП совпадает с центральным процессорным элементом (ЦПЭ) вычислительного устройства, выполненным на основе БИС. ЦПЭ обычно используется в качестве основного элемента микропроцессорного вычислительного устройства МПВУ, схема которого представлена на рис. 10.

МПВУ минимальной конфигурации содержит ЦПЭ, блоки ПЗУ и ОЗУ, генератор тактовых импульсов ГТИ и блок интерфейса (ИФ), через который осуществляется связь с внешними устройствами (ВУ). Будем считать, что МПВУ, представляющее собой специализированное вычислительное устройство, используется в аппаратуре для выполнения некоторого заданного алгоритма обработки информации (или совокупности алгоритмов).

Рисунок 10. Обобщенная структурная схема микропроцессорного вычислительного устройства

Поэтому основная программа работы МПВУ записывается в ПЗУ, которое служит также для хранения различных подпрограмм, констант, таблиц и других данных, известных уже на этапе проектирования устройства. ОЗУ используется для хранения данных, поступивших из ВУ или подготовленных для выдачи в ВУ, а также промежуточных результатов вычислений и некоторой адресной информации.

Блок ГТИ, выполняемый, как правило, на основе кварцевого генератора, предназначен для выработки серий тактовых кварцевого генератора, предназначен для выработки серий тактовых импульсов и некоторых вспомогательных сигналов, необходимых для работы ЦПЭ и синхронизации других блоков системы.

Интерфейс представляет собой совокупность шин для передачи информации, электронных схем, специальных сигналов и алгоритмов, управляющих обменом информации. Блок интерфейса служит для сопряжения сигналов МПВУ и ВУ по временным и электрическим параметрам, а также в необходимых случаях для преобразования данных и управления обменом.

К основным узлам ЦПЭ относятся: управляющее устройство (УУ) с регистром команд (РК) и дешифратором команд (ДШК); арифметико-логическое устройство (АЛУ) с аккумулятором (А), который является основным рабочим регистром; блок регистров общего назначения (РОН) со счетчиком команд (СК).

Связь между блоками МПВУ осуществляется с помощью ряда шин: шины адреса (ША), шины данных (ШД), шины управления (ШУ), шины команд (ШК).

Возможны различные варианты организации шин: используется одна двунаправленная шина данных, либо две одно направленные (одна из которых является входной для ЦПЭ, а другая - выходной), шина команд может совмещаться с шиной данных при обеспечении временного разделения сигналов и т.д.

Обобщенно процесс выполнения команды в МПВУ можно разбить на две фазы: фазу выборки кода команды и фазу ее исполнения. Фаза выборки состоит из трех шагов: сначала адрес команды из СК выставляется на ША, затем происходит выборка кода команды из ПЗУ и передача его через ШК или ШД в регистр команд ЦПЭ, после чего производится дешифрация этого кода в ДШК.

В соответствии с кодом команды УУ начинает вырабатывать последовательность управляющих сигналов, необходимых для ее выполнения. Фаза выполнения команды начинается с подготовки операндов (т.е. обрабатываемых данных), которая заключается в определении местоположения операндов и их размещении в требуемых узлах, после чего ЦПЭ переходит к выполнению операции, заданной кодом команды. В это время в СК формируется адрес следующей команды и вся описанная последовательность работы МПВУ повторяется. Более детально процесс работы МПВУ рассматривается при изучении конкретных серий микропроцессоров.

В зависимости от требований реального применения МПВУ в минимальную конфигурацию системы могут быть введены: контроллер приоритетных прерываний (КПП); контроллер прямого доступа к памяти (КПДП); программируемый параллельный адаптер (интерфейс) ППА); программно-управляемый связной интерфейс (ПСИ); программируемый таймер (ПТ), и т.п.

Блок КПП способствует организации работы МПВУ в реальном времени тем, что дает возможность осуществить временное ВУ, вызвавшего прерывание. Блок КПДП позволяет ускорить обмен массивами данных между ВУ и ЗУ за счет исключения ЦПЭ из цепи передачи информации. Блоки ППИ и ПСИ позволяют организовать обмен между ЦПЭ и В У информацией, представляемой соответственно в параллельном и последовательном кодах. Блок ПТ служит для выработки временных задержек программируемой длительности и меток времени, что способствует организации работы МПВУ в реальном времени.

Для реализации этих блоков во многих микропроцессорных комплектах БИС предусмотрены соответствующие интегральные схемы. Кроме перечисленных типовых блоков в МПВУ могут вводиться нестандартные блоки, специально разработанные для решения конкретных задач.

Выводы

В процессе выполнения курсовой работы мы ознакомились с ссновными понятиями и принципами микропрограммного управления; концепцией управляющего и операционного автоматов; управляющими автоматами с жесткой и программируемой логикой; научились строить графы схем алгоритмов; проводить синтез управляющего автомата по граф-схеме алгоритма; строить УА с программируемой логикой на основе ПЗУ и общей структурой микропроцессорного вычислительного устройства.

Литература

1. Самофалов К.Г., Романкевич А.М., и др. Прикладная теория цифровых автоматов. - Киев. «Вища школа» 1987.

2. Соловьев Г.Н. Арифметические устройства ЭВМ. - М. «Энергия». 1978.

3. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов - М. «Высшая школа». 1987.

4. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М. Энергоатомиздат. 1985.

5. Лысиков Б.Г. Арифметические и логические основы цифровых автоматов. - Минск. «Вышэйшая школа». 1980.