Методы и этапы синтеза микропрограммных устройств

Синтез схем микропрограммных устройств

Исходным для синтеза МПУ в большинстве случаев является словесное задание условий функционирования автомата. Результатом решения задачи синтеза является получение функциональной схемы устройства управления, представленного моделью МПУ.

В настоящее время известны различные методы синтеза МПУ. Многообразие их обусловлено невозможностью удовлетворить в едином формализованном методе синтеза комплекс сложных, подчас противоречивых требований по оптимальности структуры, надежности, массе, габаритам, быстродействию и т.д., предъявляемых к различным МПУ. Существующие в настоящее время методы синтеза МПУ как правило, позволяют синтезировать автоматы только по одному или нескольким критериям качества, что не всегда удовлетворяет разработчиков реальных систем, содержащих МПУ.

Классификация известных методов синтеза МПА приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1

Канонический метод синтеза принадлежит к числу наиболее изученных и отработанных. Он позволяет свести задачу синтеза автомата с памятью к выбору элементов памяти и синтезу комбинационной схемы путем построения системы логических функций, выражающих зависимость выходных сигналов и сигналов возбуждения элементов памяти от входных сигналов и состояний элементов памяти.

Полученные логические функции затем минимизируются.

По минимизированным функциям и выбранным элементам памяти строится функциональная схема автомата.

Этот метод является универсальной конструктивной процедурой, позволяющей из условия функционирования автомата получить выражения функций возбуждения и выходов. Однако для устройств, которые наиболее часто встречаются в АСКУ, ЭВМ, системах связи, эти выражения оказываются крайне сложными, зависят от большого числа аргументов и часто представляют собой систему из нескольких десятков и даже сотен функций.

Минимизация таких систем даже с применением ЦВМ представляет задачу большой сложности, а вручную - практически невозможна.

Сложность решения задач большой размерности, а также современная тенденция перехода к большим интегральным схемам (БИС) и однородным структурам (ОС), которые требуют модульных структурных компонентов автомата, существенно снижают область применения канонического метода синтеза.

Кроме того, в связи с переходом к БИС и ОС при решении задач синтеза сложных дискретных автоматов проблема минимизации переместилась в разряд второстепенных, поскольку на практике теперь накладываются ограничения в основном на число межкомпонентных связей, а не на число самих компонентов, реализующих логические функции.

Сущность интерпретационных методов синтеза заключается в получении по математической модели МПУ непосредственно функциональной схемы микропрограммного автомата.

Интерпретационные методы делятся на прямые и косвенные.

К косвенным методам интерпретационного синтеза МПУ относятся такие, которые позволяют получать логические функции, описывающие условия функционирования отдельных узлов МПУ, а затем по частям построить функциональную схему МПУ в целом.

Прямыми методами интерпретационного синтеза называют такие, которые позволяют по математической модели автомата непосредственно построить функциональную схему МПУ в целом.

Интерпретационные методы синтеза в качестве исходной математической модели автомата предполагают использование ЛСА, ГСА графа МПУ, таблицы переходов или списка, задающего граф.

Интерпретационные методы синтеза по сравнению с каноническим методом обладают большей простотой и наглядностью, представляют широкие возможности для решения задач повышенной размерности, а также упрощают автоматизацию синтеза с использованием ЭВМ.

Такие достоинства интерпретационных методов позволяют ускорить процесс синтеза МПУ и снизить его трудоемкость. Кроме того, прямые интерпретационные методы не требуют по математической модели автомата получать логические функции, осуществлять их преобразование, и синтезировать затем по логическим функциям схему МПУ. Таким образом удается существенно упростить и ускорить процесс проектирования, а также решать задачи синтеза автоматов большой размерности.

В целях упорядочения решение задачи синтеза условно разделяется на несколько этапов, которые присущи всем известным методам синтеза автоматов (Рисунок 5.2).

На первом этапе на основании анализа объекта контроля и управления, для которого разрабатывается сложный дискретный автомат, формулируется общий алгоритм его функционирования.

Сложный автомат разделяется в большинстве случаев на пять устройств: устройство управления, устройство ввода, устройство вывода, запоминающее устройство и операционные устройство; кроме того, устанавливаются взаимосвязи между отдельными устройствами и выполняемыми ими функциями.

Рисунок 5.2

Поскольку формализация условий работы каждого устройства представляет собой довольно сложную задачу, то каждое устройство целесообразно разделить на отдельные блоки. Разделение производят таким образом, чтобы выделить как можно больше подблоков, описание и синтез которых хорошо изучены (счетчики, генераторы, регистры, распределители, дешифраторы, шифраторы, сумматоры, микропрограммные автоматы и др.). При этом устанавливаются связи между блоками и синхронизация их работы. Этот этап называется этапом блочного синтеза. Иногда этап блочного синтеза может быть вызван трудностью формализации условий работы автомата в целом и возможностью формализовать задание условий функционирования отдельных блоков. Следует учесть, кроме того, характер взаимодействия между ними.

На втором этапе решения задачи синтеза сложного автомата формулируются условия функционирования отдельных блоков, т.е. выявляются связи блока с соседними, определяется число входов и выходов каждого блока, устанавливается взаимосвязь между входными и выходными сигналами каждого блока, для чего используют диаграммы, циклограммы, графики, граф-схемы и т.п., отражающие условия функционирования синтезируемого автомата.

На данном этапе стремятся условия работы каждого блока максимально формализовать, чтобы в дальнейшем решать задачу синтеза алгоритмическими методами. При этом условия работы блоков автомата записывают в виде таблиц переходов-выходов, таблиц включений, граф-схем алгоритмов, матричных схем алгоритмов.

Порядок решения задачи синтеза блока определяется используемым методом синтеза, который зависит от того, какой язык используется для описания условий его функционирования. В свою очередь метод синтеза определяется в большинстве случаев функциональным назначением проектируемого блока.

Так как в дальнейшем рассматриваются вопросы синтеза блока управления сложного автомата, который представим моделью микропрограммного автомата, то последовательность решения задачи синтеза будем рассматривать применительно к МПУ.

Основным содержанием этого этапа синтеза МПУ является формулировка и формализация условий его работы. Первичное описание условий функционирования МПУ составляется, как правило, словесно. Для составления словесного описания производится анализ объекта, для управления которым предназначено синтезируемое МПУ, определяется количество и характер связей МПУ с внешними устройствами и блоками. Вводятся обозначения входных и выходных сигналов МПУ. Четко формулируются все микропрограммы, для реализации которых предназначено синтезируемое МПУ.

При решении задачи синтеза МПУ на втором этапе стремятся получить условия его функционирования в виде ЛСА, ГСА, МСА или в виде таблицы переходов МПУ.

Определяется число внешних управляющих сигналов, зависящее от характера взаимодействия с другими блоками, а также характер и порядок следования сигналов, соответствующих логическим условиям (логическим блокам).

Таким образом, в результате решения задачи синтеза МПУ на втором этапе получаем условия его работы в виде первичной МСА, ЛСА, ГСА или таблиц переходов. Поэтому второй этап называют этапом построения математической модели автомата.

На третьем этапе синтеза МПУ производится оптимизация математической модели МПУ, представленной в первичной форме (МСА, ЛСА, ГСА и др.). Сложность структурной схемы МПУ определяется числом и характером реализуемых микрокоманд (операторов). Но поскольку при формализации (построении математической модели МПУ) каждая микрокоманда сопоставляется с операторами и логическими условиями в ЛСА и МСА или вершинами в ГСА то при выбранном наборе операторов и логических условий критерием сложности МПУ является число членов МСА, ЛСА или вершин ГСА, т.е. число членов модели автомата.

Однако на этапе формализации условий функционирования МПУ зачастую достаточно трудно получить модель автомата с минимальным числом членов. Очевидно, что из этого обстоятельства вытекают возможность и необходимость оптимизации модели МПУ. Оптимизация модели автомата включает в себя не только минимизацию числа членов модели, но в ряде случаев и преобразование порядка следования операторов и логических условий, дополнения и уточнения исходного набора операторов и логических условий с целью получения оптимальной структуры МПУ.

В настоящее время методы оптимизации математических моделей МПУ разработаны достаточно полно.

Оптимизация математической модели МПУ состоит в выполнении эквивалентных преобразований исходной модели с целью получения модели, позволяющей построить МПУ минимальной сложности.

В результате осуществления третьего этапа синтеза автомата получают оптимальную модель МПУ в виде минимальной ЛСА, ГСА, МСА, минимизированной (вторичной) таблицы переходов и минимального графа переходов.

Первые три этапа синтеза МПУ относятся к абстрактному синтезу, основной задачей которого является получение и оптимизация математической модели автомата.

На четвертом этапе по оптимизированной модели автомата, представленной в виде минимальной ЛСА, ГСА, МСА или минимизированной таблицы (графа) переходов, разрабатывается структурная и функциональная схемы МПУ. Прежде всего определяется количество и размещение состояний памяти МПУ. В зависимости от количества реализуемых МПУ микропрограмм и потребного для этой цели объема памяти определяется число разрядов регистра команд и регистра микрокоманд, производится кодирование состояний памяти МПУ. Если МПУ строится асинхронным, то особое внимание уделяется выбору такого варианта кодирования состояний, при котором переходные процессы, возникающие в моменты изменения состояний регистров, не будут влиять на правильность функционирования МПУ.

Иногда процесс кодирования удается существенно упростить при синтезе МПУ непосредственно по ЛСА, ГСА, или таблице (графу) переходов. При синтезе МПУ с использованием одной из основных (классических) схем задача синтеза автомата в основном сводится к решению задачи кодирования микрокоманд.

Результатом решения задачи на четвертом этапе является построение функциональной схемы МПУ.

На пятом этапе по полученной функциональной схеме с учетом технических характеристик элементов памяти, логических элементов и дополнительных технических требований, предъявляемых к МПУ, разрабатывается его принципиальная электрическая схема, производятся электрические и другие расчеты, анализ и моделирование автомата с целью проверки его работоспособности и выполнения предъявленных к нему требований.

На этом этапе решаются такие задачи, как анализ характеристик надежности синтезируемого МПУ, сравнение их с заданным, и в случае необходимости принятие специальных мер повышения его надежности: облегчение режимов работы элементов, резервирование отдельных устройств и МПУ в целом, разработка средств аппаратурного или программного контроля его функционирования и микродиагностики.

В заключение пятого этапа производится топологический синтез МПУ, который заключается в размещении деталей (элементов) на платах, разработке конструкции, монтажной схемы, и эксплуатационно-технической документации спроектированного МПУ.

Данный этап называют этапом технического проектирования.

Разделение процесса синтеза МПУ на указанные этапы является условным, хотя и позволяет облегчить решение задачи синтеза. Этапы синтеза между собой тесно связаны. Если какие-либо требования к МПУ на том или ином этапе не выполняются, то необходимо возвратиться к предыдущим этапам с целью проведения анализа и ликвидации противоречий, уточнения принятых решений и удовлетворения этих требований.