Синтез канонической структуры операционного автомата

Структуру операционного автомата можно синтезировать непосредственно по функции, заданной:

1) множеством слов S = { s ₁, …, s _m, … s _M}, которые могут быть входными, выходными, и внутренними.

Для примера на рис. 6.1 множество входных слов состоит из A (5:0) и B (5:0), множество выходных слов состоит из С (5:0), множество внутренних слов состоит из Sm (5:0), Rg (5:0) и рр.

2) множеством микроопераций Y = { y ₁, …, y _g, … y _G}.

Для примера на рис. 6.1 множество микроопераций состоит из y₁, y_2, y_3, y₄, y₅, y₆, Done.

3) множеством логических условий Х = { x ₁, …, x _f, … x _F}. Для примера на рис. 6.1 множество микроопераций состоит из логических условий x ₁, x ₂, x ₃.

Структура автомата синтезируется следующим образом.

1. Словам, описанных в качестве внутренних ставятся в соответствие регистры с длинами, равными длинам слов.

Sm (5:0) – шестиразрядный регистр, Rg (5:0) – шестиразрядный регистр, рр – триггер.

2. Словам, описанных в качестве входных ставятся в соответствие внешние входы схемы, которые соединяются с регистрами шиной, исходящей из входов.

3. Словам, описанных в качестве выходных ставятся в соответствие внешние выходы схемы, которые соединяются с регистрами шиной, входящей в выходы.

4. Каждой микрооперации y_i Î Y, описываемой оператором присвоения (:=) ставится в соответствие комбинационная схема φ _i Î φ (рис. 5.2), входы которой подключаются к регистрам и выходы которой соединяются с управляемой шиной регистра. Управляемая шина помечается сигналом y_i, инициирующим микрооперацию – присвоение слову значение некоторой функции. Для выполнения микрооперации передачи не требуется, комбинационная схема, вычисляющая значение некоторой функции. Поэтому структурная реализация микрооперации передачи, обеспечивается управляемой шиной, соединяющей регистр с регистром и отмеченной соответствующим управляющим сигналом. Аналогично микрооперации установки (S:= const) реализуется управляющей шиной, начало которой отмечается константой const и соответствующим управляющим сигналом.

5. Каждому логическому условию x _f ставится в соответствие комбинационная схема ψ _f Î ψ, входы которой соединяются с регистром, а выходы с отмечаются осведомительным сигналом x _f. Если ψ _f тривиальная функция, которая, например, показывает содержимое разряда (разрядов) регистра, то логическое условие изображается шиной. Выход шины соответствует осведомительному сигналу.

Каноническая структура имеет вид, представленный на рис. 6.15.

В соответствии с данной моделью операционный автомат разделяется на три части: память S; комбинационную схему φ, реализующую функции φ _i, связанные с выполнением микроопераций Y; комбинационную схему ψ, вычисляющую значения логических условий Х.

Функционирование операционных автоматов. Операционный автомат функционирует во времени в порядке, определяемом управляющим автоматом. Процесс функционирования разделяется на интервалы времени, называемые тактами. В течение такта выполняются следующие действия:

1) управляющий автомат формирует набор из одного, двух или более сигналов у_а,..., y_w

2) под воздействием управляющих сигналов у_а,..., y_w в комбинационных схемах φ _i автомата вычисляются значения двоичных выражений φ _i(S),..., φ _i(S);

3) соответствующие регистры переключаются в новые состояния, определяемые значениями φ _i(S),..., φ _i(S);

4)комбинационные схемы ψ вычисляют новые значения осведомительных сигналов X, соответствующие новому состоянию памяти S, т. е. новым значениям слов s ₁, …, s _m. Длительность такта Т определяется структурой схем и быстродействием логических и запоминающих элементов, используемых в схемах управляющего и операционного автоматов.

Таким образом, такт – это промежуток времени между соседними моментами переключения состояния памяти. В течение такта память автомата переключается в новое состояние, отличное от предыдущего.

Операционный автомат можно рассматривать как самостоятельный объект. В таком случае термин «такт» условно применяется только к операционному автомату. Такт операционного автомата Т – это промежуток времени, необходимый для выполнения заданного набора микроопераций и вычисления значений логических условий, и равный интервалу времени от момента поступления на вход автомата управляющих сигналов до момента выработки значений осведомительных сигналов, соответствующих состоянию памяти автомата.

Обычно распределение действий во времени производится на основе синхронного принципа. При этом длительность такта Т определяется максимальным значением, необходимым для выполнения любой микрооперации и вычисления значения любого логического условия. Ход времени отмечается с помощью синхронизирующих сигналов, вырабатываемым генератором синхронизирующих импульсов, которые следуют с периодом, равным длительности такта Т. Эти сигналы используются для синхронизации моментов переключения триггеров.