Организация системы синхронизации

Большинство ЦВМ относится к синхронному типу, в которых все действия соотносятся с внутренним датчиком машинного времени (генератором тактовых импульсов (ГТИ), генератором синхроимпульсов). Временное ведение операций в синхронных машинах рассчитывается в единицах машинного времени (в тактах ГТИ).

Имеются также машины асинхронного типа, в которых датчик машинного времени отсутствует и временное ведение операций рассчитывается с учетом внутренних задержек на элементах ЦВМ. Обычно в этих машинах определенные действия сочетаются с формированием оповестительного сигнала (сигнал сопровождения - квитирования). Например, сигналом оповещения о завершении арифметической операции суммирования может быть признак, вырабатываемый схемой, реагирующей на отсутствие сигналов переноса, а признаком выдачи данных по шинам - сигнал “сопровождение данных”.

Синхронные машины обеспечивают более простую организацию ЦВМ, но имеют более низкое быстродействие из-за стандартных временных задержек на ведение операций, рассчитанных на максимальное время задержки при подобных операциях.

ГТИ является подсистемой общей системы (рис. 35) синхронизации, в которую входят также распределитель тактовых сигналов (РТИ), блок формирования синхроимпульсов (БФСИ), блок контроля синхронизации (БКС).

ГТИ формирует тактовые импульсы с постоянной частотой fм. В простейших устройствах ГТИ может быть выполнен на обычных мультивибраторах с R-C и L-C времязадающими цепями. В сложных и быстродействующих ЦВМ для стабилизации fм применяют кварцевые и керамические резонаторы, возможно и с термостатированием при особо высоких требованиях к стабилизации.

Длительность машинного цикла Тмц рассчитывается на основе периода тактовых импульсов. В периодах Тмц отсчитывается длительность командных циклов.

Обычно машинный цикл – величина постоянная, а командный цикл имеет различную длительность в зависимости от типа выполняемой команды. Требуемая длительность машинного формируется в распределителе тактовых импульсов (РТИ). В его функции входит подсчет заданного числа тактовых импульсов, сумма которых составит длительность Тмц, и формирование унитарных импульсов, временное положение каждого из которых в периоде Тмц соответствует определенному такту машинного цикла. Например (рис.36), пусть машинный цикл содержит четыре такта. Тогда Тмц будет состоять из четырёх унитарных импульсов Тi (i = 1…4), каждый из которых формируется на i-том выходе РТИ. На основе унитарных импульсов Тi в БФСИ в соответствии с требуемой временной диаграммой в течение Тмц формируются импульсы синхронизации СИj (j = 1…3).

Пусть необходимо сформировать синхроимпульсы в соответствии с системой логических уравнений СИ1 = Т1; СИ2 = Т2 v Т3; CИ3 = !Т4 согласно требуемой временной диаграмме синхронизации операционных устройств (рис. 37 а). Возможным вариантом БФСИ может быть схема, представленная на рис. 37 б. Временная диаграмма распределения СИj в рамках Тмц в общем случае является исходной при проектировании блока синхронизации. По диаграмме распределения синхроимпульсов определяют максимальное общее кратное, которым можно измерить длительность каждого синхроимпульса и смещение между фронтами синхроимпульсов. Эта величина должна равняться периоду либо полупериоду (если скважность равна 0,5) тактовых импульсов, формируемых ГТИ.

При построении БФСИ на реальных логических элементах возникают дополнительные временные задержки, вызывающие искажение картины временного распределения СИj. Для компенсации этих искажений в состав БФСИ вводят параметрические линии задержки, обеспечивающие требуемый сдвиг фронтов в пределах периода ГТИ.

Назначение блока БКС состоит в выявлении нарушений в логике работы РТИ и БФСИ и формировании соответствующего сигнала ошибки синхронизации (ОШ). В устройствах, к которым не предъявляется требований к бессбойной работе, данный блок может отсутствовать.

Пример интегрального контроллера синхронизации К583ВГ1

Контроллер (рис. 38) строится на базе двух ПЛМ (ПЛМ1, ПЛМ2), циклического 10-ти разрядного регистра сдвига (ЦРС), встроенного ГТИ, устройства управления (УУ) и устройства контроля (УК). ГТИ имеет входы Х1, Х2 для подключения внешнего резонатора или источника внешней опорной частоты и формирует тактовые импульсы CLKO с максимальной частотой 20 МГц. В пределах периода ГТИ возможна небольшая коррекция его длительности путем изменения потенциала на входе подстройки FRIG.

Для запуска контроллера выход CLKO подключается к входу CLKI, по сигналу CLR производится установка ЦРС в исходное состояние (0 в младшем разряде), и по сигналу старта STR осуществляется запуск циклического сдвига в ЦРС с тактовой частотой CLKI. Сигналы INT0 и INT1 позволяют приостанавливать сдвиг соответственно на четных и нечетных разрядах ЦРС.

Выходные шины ЦРС через ПЛМ1 подключаются к выходам полуфаз синхронизации !S0 – !S9. Эти импульсы являются унитарными инверсными импульсами, на базе которых с помощью внешних логических схем формируется требуемая картина распределения синхроимпульсов. Для циклического повторения i (i = 2…10) полуфаз выход !S(i–2) заводится на вход обратной связи CNT, что позволяет варьировать период Тмц в пределах от двух до десяти тактовых импульсов. Длительность Тмц контролируется на ПЛМ2, воздействующей на УК, для которого по входам OPT1, OPT0 и MD задаётся тип цикла и признак включения контроля. Несоответствие сопровождается формированием сигнала ошибки ERR.

Временная диаграмма работы контроллера синхронизации приведена на рис. 39. По положительным фронтам тактовых импульсов CLKI осуществляется установка и сброс инверсных сигналов полуфаз с чётным номером (!S0, !S2,…, !S8), а по отрицательным фронтам – полуфаз с нечётными номерами (!S1, !S3,…, !S9).

Соседние выходные полуфазы контроллера перекрываются на полпериода CLKI, что исключает появление импульсных помех при объединении сигналов на схемах дополнительной логики.

Для настройки контроллера на цикл выработки десяти полуфаз !S0, …, !S9, необходимо подключить ко входу обратной связи СNT выходной сигнал !S8. В этом случает период синхронизации Тмц = 5t_CLKI = 250нс ( при t_CLKI = 50нс).

В случае необходимости останова или растяжения периода синхронизации Тмц в определённый момент времени используются сигналы INT0 или INT1. На рис. 39 показано, как INT1 вызывает растяжение полуфазы !S3. Требуемые для синхронизации ОУ импульсы формируются из полуфаз путём объединения их на внешних логических схемах. Временные параметры импульсов синхронизации устройства будут обеспечиваться с точностью ±25нс.

Если для формирования временной диаграммы недостаточно 10 полуфаз, контроллеры соединяются последовательно - выход !S7 предыдущего подключается ко входу CNT последующего, а CLKO первого контроллера является тактовым импульсом и для всех остальных. Обратная связь обеспечивается подключением требуемого выхода !Si последнего из контроллеров ко входу CNT первого.