5.4. Контрольные вопросы. 6. Проектирование операционных устройств. 6.1. Методы построения операционных устройств

5. 4. Контрольные вопросы

1. В каких случаях целесообразно представление входов и выходов автомата данными перечислимого типа?

2. Почему считают нецелесообразным явное кодирование состояний?

3. Как изменится текст описания спроектированного Вами автомата, если потребуются выходы с иными временными характеристиками. Например, замена синхронизированного выхода на асинхронный или добавление для автоматов Мили выходов, связанных только с состоянием?

6. Проектирование операционных устройств

6. 1. Методы построения операционных устройств

Понятие операционного устройства может трактоваться достаточно широко. Наибольшее распространение этот термин получил во времена стремительного развития ЭВМ. Операционные устройства выделялись как фрагмент из состава АЛУ (арифметико-логическое устройство) [12] и [14]. Поэтому под операционным устройством понимался вычислительный узел, способный многократно выполнять любое преобразование из набора, предусмотренного для этого узла, каждый раз, когда на него поступает сигнал, инициирующий преобразование (команда). В настоящее время понятие операционного устройства, сохраняя старое традиционное назначение, используется и для определения автономных устройств вычислительной техники, не обязательно включающих процессор. Операционные устройства можно классифицировать по виду
обрабатываемой информации, по способу её обработки и по логической
структуре. Диапазон логических структур и тесно связанных с ним поведений операционных устройств простирается от простейших до сложных. Структура сложных операционных устройств, как правило, может относиться к различным вариантами сетевой организации. Любой вариант реализация требуемых преобразований достигается передачей данных между узлами такой сети от входа к выходу. В зависимости от структуры задачи могут строиться как чисто последовательные схемы, так и схемы с распараллеливанием некоторых этапов. В основе сложных устройств могут лежать такие структуры как потоковые и конвейерные реализации.

В данном пособии рассмотрим только простейшие операционные устройства (хотя многие рассматриваемые вопросы сохраняют свое значение при проектировании более сложных устройств). Языки проектирования дискретных устройств (в частности язык VHDL), в принципе, позволяют описать любой алгоритм в последовательной форме, т. е. через последовательность операторов присваивания и принятия решений. Однако более удобный и чаще используемый подход к проектированию операционных устройств заключается в разделении устройства на два блока: операционный и управления. Операционный блок (ОБ) выполняет преобразование данных и строится из стандартных частей (час­тей с определенным поведением), а блок управления (устройство управления, УУ) обеспечивает необходимую последовательность операций, выполняемых в ОБ (одном или нескольких). Для этого УУ передает на входы ОБ управляющие сигналы. Последовательность действий (уникальная для данного класса устройств) и, следовательно, управляющих сигналов зависит от результатов операций в ОБ и внешних воздействий. Отсюда видно, что УУ удобно задавать в форме конечного автомата с памятью (АП) того или иного типа. Эффективность подобного подхода обусловлена не только отработанностью решений для большинства ОБ (не зависимо от технологической базы проектов), но и тем, что разработаны формальные методики преобразования алгоритмов, описывающих функционирование цифровых устройств, в описания конечных автоматов.

В более сложных проектах возможно разделение УУ на несколько функционально слабо связанных пар ОБ – УУ на одном уровне иерархии или создание пары, иерархически погруженной в ОБ (реже в УУ).

Элементный состав операционных блоков определяется иерархическим уровнем рассмотрения проекта (электронные блоки, функциональные узлы, логические элементы) и имеющимся в распоряжении разработчика набора стандартных элементов этого уровня. Подобному иерархическому разбиению соответствует и иерархическая организация библиотек САПР.

Операционный блок обычно представляют как набор регистров, логических блоков (как правило, многофункциональных, управляемых), буферных схем, а также коммутируемых связей между ними. При большом числе операций, выполняемых операционным устройством с ограниченным числом входящих в него операционных блоков, бывает удобно объединять набор управляющих действий (и в описаниях и технологически) в определенное множество с одним именем. Такой набор в этом случае называют микрооперацией, несколько одновременно выполняемых действий объединяются микрокомандой. Последовательность микрокоманд, исполняемых в процессе реализации команды, называют микропрограммой. Устройство управления, построенное на основе памяти, хранящей микропрограмму, носит название микропрограммный автомат. Подобный поход широко используется при построении операционных блоков ЭВМ и широко освещен в литературе [10]. В данном пособии будем рассматривать техническую реализацию, соответствующую построению конечного автомата, поддерживаемого современными САПР для ПЛИС.