5.7Организация операционного автомата

При организации ОА используются различные способы их построения. Каждый способ построения ОА обеспечивает переход от функции ОА к его структуре, удовлетворяющей следующим требованиям (спецификациям). Основные требования предъявляются к основным характеристикам ОА – быстродействию (производительности) и затратам оборудования на его реализацию. Под производительностью ОА понимается количество МО, выполняемых ОА за один такт.

По способам построения (организации) ОА разделяются на пять классов: 1. ОА с канонической структурой. 2. ОА с максимальной производительностью (I - автоматы). 3. ОА с минимальными затратами оборудования (М - автоматы).4. ОА с промежуточными характеристиками (IM - автоматы).5. ОА с памятью (S - автоматы).

Организация ОА с канонической структурой. Такого типа ОА строятся по следующим каноническим правилам:

1. Словам множества S (S – одна из функций ОА ) ставятся в соответствие одноименные регистры : S₁…S_n.

2. Кроме того, входным словам D множества S ставятся в соответствие входные полюса (входы) d₁…d_H. Каждый вход d_h соединяется с соответствующим регистром шиной.

3. Входным словам R множества S ставятся в соответствие выходные полюса (выходы ОА) r₁...r_q. Регистры, соответствующие выходным полюсам, соединяются с выходами с помощью шин.

4. Каждой МО y_m принадлежащей Y (Y – другая функция ОА) ставятся в соответствие КС ψ_m, входы которой подключаются к регистрам S_А, S_В, а её выход соединяется с регистром S_C управляемой шиной. Управление шиной отмечается символом y_m (обеспечивается символом y_m).

5. Каждому осведомительному сигналу x_l, принадлежащему Х, ставится в соответствие КС ψ_l, входы которой подключаются к соответствующим регистрам (полям). Выход КС ψ_l отмечается символом х_l.

Пример ОА, построенного по каноническим правилам (для операции умножения) приведен на рисунке 5.5.

ОА с канонической структурой имеет максимальную производительность, так как не вносит ограничений на функциональную совместимость МО и избыточен по затратам оборудования, так как комбинационные схемы могут содержать КС, эквивалентные с точки зрения реализуемых ими функций. Например, два сумматора, входы которых подключены к одному регистру.

Избавиться от избыточности, очевидно, можно, объединив КС с одинаковыми функциями, т.е. оставив по одной схеме с одинаковыми функциями. В результате получим другой тип автомата – автомат типа I (I -автомат). Устранение избыточных КС из канонической структуры ОА, естественно, не вносит ограничений на функциональную совместимость МО. Поэтому I-автомат сохраняет максимальную производительность.

ОА типа М (М-автомат) строится с целью минимизации затрат оборудования на их реализацию. Минимизация обеспечивается за счет объединения (“склеивания”) всех КС, выполняющих одинаковые функции на множестве всех КС, реализующих функции Y ОА. Структура ОА типа М представлена на рисунке 5.17. Особенности структуры М – автомата:

Рисунок 5.17

два мультиплексора (А и В) в структуре, одна универсальная КС Ф, один демультиплексор, в каждом такте выполняется только одна МО (вида S_k:=ψ_m(s_i,s_j)), возбуждаемая сигналом y_m из Y. Следует отметить, что одновременно с y_m необходимо подавать три сигнала: a_j, b_j, d_k, обеспечивающие подачу операндов на входы А и В КС Ф (сигналы a_j, b_j) и прием результатов МО в регистр S_k (сигнал d_k).

Итак, производительность М–автомата минимальна и равна одной МО за один такт, затраты оборудования также минимальны.

Автоматы типов I и M , как нетрудно заметить, обладают противоположными характеристиками. Поэтому ясно, что между ними есть варианты структур ОА, обладающих промежуточными свойствами по производительности и затратам оборудования. Они и образуют класс IM–автоматов. Структурная организация IM–автоматов такова, что она вносит ограничения на совместимость некоторых МО, уменьшая тем самым производительность ОА (относительно I-автомата). Затраты оборудования в IM–автоматах меньше максимальных значений за счет склеивания некоторых КС, реализующих одинаковые МО.

В некоторых случаях множество S содержит большое количество слов (сотни). Для уменьшения стоимости таких устройств регистры ОА можно заменять ячейками ЗУ с адресной организацией, если память S организовать как ЗУ. ОА с ЗУ в качестве памяти называется S – автоматом. Структура ОА типа S представлена на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18

Нетрудно заметить, что введение ЗУ существенно упрощает и удешевляет структуру ОА, т.к. в ней нет мультиплексоров А и В, упростился демультиплексор, количество регистров сократилось до двух (А и В). Однако продолжительность такта работы больше, т.к. выборка операндов из ЗУ занимает больше времени, чем из регистров, следовательно быстродействие S–автоматов ниже всех остальных. Для уменьшения продолжительности такта вместо ЗУ с одним адресным входом А и одним информационным выходом S можно использовать ЗУ с двумя адресными входами (А и В) и двумя информационными выходами, что обеспечивает одновременную выборку двух операндов.