Операционный и управляющий автоматы.

В функциональном и структурном отношении ОУ разделяется на две части: операционный(ОА) и управляющие автоматы (УА) (рис 1.2).

Н Q

D R

ОА

X

Y

УА

G

Рисунок 1.2 – Взаимосвязь структурного и операционного автоматов

ОА служит для хранения слов информации, выполнения наборов микроопераций и вычисления значения логических условий, т.е. ОА является структурой, организованной для выполнения действий над информацией.

УА генерирует последовательность управляющих сигналов, предписанную микропрограммой и соответствующую значениям логических условий. Иначе говоря, УА задаёт порядок выполнения действий в ОА, вытекающий из алгоритма выполнения операций. Наименование операции, которую необходимо выполнить в устройстве, определяется кодом g операции.

Любое ОУ – процессор, канал ввода – вывода, УУ внешние устройства – являются композицией ОА и УА.

ОА, реализуя действия над словами информации, является исполнительной частью устройства, работой которого управляет УА, генерирующий необходимые последовательности управляющих сигналов.

Функция ОАопределяется следующей совокупностью сведений:

множеством входных слов D = {d_1,…,d_H}, вводимых в автомат в качестве операндов,

множеством входных слов R = {r_1,…,r_Q}, представляющих результаты операций,

множеством внутренних слов S = {s_1,…,s_N}, используемых для представления информации в процессе выполнения операций. В дальнейшем будем предполагать , что входные и выходные слова совпадают с определенными внутренними словами т.е. D⊆S и R⊆S,

Множеством микроопераций Y= {ym}, m = 1,…, M, реализующих преобразование S =φm (S) над словами информации , где φm- вычислимая функция,

множеством логических условий X = {XL}, l=1,…,L, где Xl=ψl (S)и ψl- булева функция.

Таким образом, функция ОУ задана, если определены множества D, R, S, Y, X. Заметим , что время не является аргументом функции ОУ. Функция устанавливает список действий – микроопераций и логических условий, – которые может выполнять автомат, но никак не определяет порядок следования этих действий во времени. Иначе говоря, функция ОА харрактеризует средства, которые могут быть использованы для вычислений, но не сам вычислительный процесс. Порядок выполнения действий во времени определяется в форме функции УА.

Функция УА – это операторная схема алгоритма (микропрограммы) , функциональными операторами который являются символы y1,…,yM, отождествляемые с микрооперациями, и в качестве логических условий (предикатов) используются булевы переменные x₁,…,x_L. Операторная схема алгоритма наиболее часто представляется в виде граф-схемы или логической схемы алгоритма. Каждая из этих форм определяет вычислительный процесс в последовательном аспекте – устанавливает порядок проверки логических условий x₁,…,x_L и порядок следования микроопераций y₁,…,y_M.

Структурная организация ОА

В общем структура ОУ строится по схеме рисунка 1.3, которая является более детальным представлением схемы рисунка 17.2.

OA R Y ф D X

S

Y

YA

G

Рисунок 1.3 – Структура операционного автомата

ОУ разделяется на 3 части: память S, комбинационную схему Ф, реализующую микрооперации, комбинационную схему Y.Поэтому система уравнений, вычисляющую значение логических условий. Память S обеспечивает хранение слов которые представляют значение операндов D, промежуточные значения конечные результаты R. Для выполнения микроопераций Y = { } служит комбинационная схема Ф. Управляющие сигналы Y, формируемые УА, инициируют выполнение необходимых микроопераций . Так, если поступают сигналы , то схема Ф выполняет две микрооперации ; , что сводится к вычислению их значений ; и присваиваниваю их словам . Для вычисления логических условий служит комбинационная схема , реализующая систему булевых функций , значения которых представляются осведомительными сигналами X = { }.

УА в соответствии с кодом операцииg генерирует набор управляющих сигналов, который инициирует соответствующий набор микроопераций. Выполнение микроопераций приводит к изменению состояния памяти ОА –

значению слов . Состояние памяти S отображается множеством осведомительных сигналов Х , которые анализируются УА-м для определения следующего набора микроопераций. Процесс выработки набора управляющих сигналов, выполнения микроопераций и вычисления логических условий занимает один такт времени, длительность Т которого определяется быстродействием логических и запоминающих элементов. Количество тактов зависит от операции, которую реализует устройство, и состава системы образующих Z=<Ф,𝞇> : чем «элементарнее», проще функции Ф и 𝞇, тем большее число тактов требуется для выполнения операции. Затраты оборудования в ОУ, как следует из рисунка 1.3, определяется суммой где - затраты оборудования, приходящиеся соответственно на память S, комбинационные схемыФ и 𝞇, реализующие микрооперации и логические условия, и управляющий автомат.