Каноническая структура ОА.

ОА оцениваются параметрами: 1) производительность; 2) быстродействие; 3) сложность (затраты оборудования); 4) однородность (регулярность структуры) – характеризуется количеством однотипных элементов и связей между ними. Чем проще элемент и проще связь, тем степень однородности выше.

Структура ОА определяется классом решаемых на нем задач.

Задача -> {методы решения} -> алгоритм -> {набор операций Q1(аппаратно-микропрограммным путем) и Q2(программным путем)} -> {микропрограммы} -> {микрокоманды} -> {микрооперации}

Состоянием ОА ставится в соответствие запоминающая часть (S), а множеству микроопераций – множество комбинационных схем. S – множество слов операционного автомата (I -входных, L-выходных, O-промежуточных).{S₁,S₂,...,S_N}

Y – множество микроопераций {y_m}={S_k=j_k(S₁,S₂,...,S_N)}, где j_k – некоторая вычислимая функция

X – множество осведомительных сигналов, X={X_L}={y_L (S₁,S₂,...,S_N)}, где y_L – некоторая комбинационная схема.

Структура ОА синтезируется следующим образом:

1) Словам S₁,S₂,...,S_N, описывающих внутреннее состояние, ставятся в соответствие регистры S₁,S₂,...,S_N с разрядностью n₁,n₂,...,n_N , которые равны длине слова операционного автомата. Если в словах есть поля, то в структурной схеме ОА выделяют регистры (подрегистры).

2) Словам S_d1,S_d2,...,S_dm (входным) ставятся в соответствие входные полюсы d₁,d₂,...,d_m. Каждому внутреннему слову ставится в соответствие регистр, полюс с регистром соединяется шиной.

3) Выходные слова S_r1,S_r2,...,S_rQ ставятся в соответствие выходным полюсам r₁,r₂,...,r_Q.

4) Каждой микрооперации ставится в соответствие комбинационная схема Y_m: S₁=j_m{ S₁,S₂,...,S_N}

5) Каждому логическому условию, так же ставится в соответствие комбинационная схема X_L: y_L{ S₁,S₂,...,S_N }

Определение: структура ОА, полученная путем замены каждого элемента функции (слова микрооперации и логического условия) соответствующими элементами структурного базиса (регистрами, комбинационными схемами) является основополагающим для синтеза структур ОА и называется канонической структурой.

Эта структура имеет следующий вид:

Производительность, быстродействие и сложность у данной схемы максимальны.

Пути сокращения затрат оборудования: 1) реализовать однотипные микрооперации на одних и тех же комбинационных схемах (Эквивалентные комбинационные схемы); 2)объединить комбинационные схемы по каждому элементу памяти (регистры).

I - автоматы.

Их производительность не ниже канонической, а затраты оборудования минимальны.

H_i – код управления схемой j₁.

На этой схеме комбинационные схемы состояний не показаны.

Элементы однотипные, структура однородна – это ОА с распределением микроопераций.

Микрооперации ОА, которые не могут быть выполнены одновременно, называются несовместимыми. Например, запись числа в регистр и чтение из этого регистра необходимо разделить во времени.

В каждый момент времени может быть выполнено N операций в канонической структуре: W_k=N_мо/t_k. Производительность I – автомата W_I=N_мо/t_I, причем t_I ³ t_k. Сложность Сл_к>Сл_I.

М – автоматы.

Ели взять все комбинационные схемы I – автомата и объединить в одну комбинационную схему, то получится следующая структура: Z=Ф(H,A,B)=Ф_H(A,B)

Z – выходной сигнал комбинационной схемы

Для данной схемы W_M=1/t_M; t_M>tI; Сл_М<Сл_I.

Характеристики промежуточных вариантов автоматов можно представить в виде графика:

Все IM – автоматы делятся на классы, характеризуемые степенью обобществления комбинационной частью ОА.

IM – автоматы с параллельной комбинационной частью:

В данном случае все операции делятся на унарные (один операнд) и бинарные (два операнда). W_IM=2/t_IM; t_IM<t_M; Сл_IM>Сл_M.

IM – автоматы с последовательной комбинационной частью.

S – автоматы.

Пунктиром выделена дополнительная загрузка. КС сосредоточена в одном месте, есть ЗУ для массивов информации.

Работа автомата: по управляющим сигналам а₁ и а₂ числа записываются в S₁ и S₂, а по сигналам b₁ и b₂ передается на вход КС. Управляющий сигнал j_к осуществляет выбор одной из м/о, реализуемой КС. В 1-ом такте по адресу А число выбирается в S₁ из ЗУ, во втором такте – из ЗУ в S₂. В третьем такте содержимое обоих регистров S₁ и S₂ (или одного из них) поступает на вход КС. Результат дописывается в ЗУ. Главная задача: сокращение тактов на выполнение одной м/о. Для этого : 1)вводят дополнительные регистры S_3...S_m, чтобы совместить такт выборки слова из ЗУ с исполнением очередной м/о; 2)вводится дополнительная загрузка, S₂ – итоговый регистр (аккумулятор); 3)содержимое ЗУ подается на вход КС минуя элементы памяти.

В общем случае м/о реализуется за 3 такта, а введение указанных способов ускорения снижает время выполнения до 2-х и 1-го тактов.

На характеристики ОА существенным образом влияют:

1. Линии связей.

2. Тактирование ОА.

1.1 Линии связей магистрального типа.

Достоинства: а) простота; б)малые затраты оборудования.

Недостатки: а) в каждый момент времени информация передается между одним источником и одним или несколькими получателями.

Если разрядность шины 32, F_цикла =100МГц, то пропускная способность шины J_ш=32/Т_ц=32*F_цикла=32*100*10⁶=3,2 (Гбита/сек)=400 (Мбайт/сек).

Для увеличения скорости обмена в ОА используются несколько магистралей.

В машинах III поколения использовали 3 и более шин; в машинах IV поколения: IBM PC/XT – 3 магистрали (шины), IBM PC/AT – 6 магистралей (шин). Введение дополнительных магистралей увеличивает количество передач в единицу времени.

б) каналы магистрального типа имеют большую емкостную нагрузку, что снижает возможность повышения тактовых частот.

в) поскольку магистрали – универсальные линии связи, и она должна обладать функциональной полнотой, то по структуре она оказывается достаточно сложной.

1.2 Линии связи непосредственного типа.

1) Линии связи устанавливаются содержательными микропрограммами.

2) В каждый момент времени можно одновременно передать данные между несколькими группами устройств. Например, S1->S2 и S3->S4 (S2->S3 и S4->S1).

3) Для увеличения количества передач в качестве элементов памяти используют 2-х ступенчатые триггеры (МS регистры – Master/Slave), а также промежуточные конвейерные регистры.

4) Структурно непосредственные связи проще магистралей и по числу линий и по временным диаграммам обмена.

Тактирование ОА

T_ОА=t_УАt_ОА – такт ОА.

W_ОА=N_м/о /T_ОА – производительность.

I автомат: каждый элемент памяти имеет свою КС, поэтому он имеет наибольшее число м/о выполняемых за один такт.

Все м/о можно разделить на совместимые, те которые могут выполняться одновременно и несовместимые. Например, записать в S1 число и произвести его сдвиг невозможно одновременно. Поэтому включать их в одну микрокоманду нельзя. Несовместимые м/о можно сделать совместимыми разнеся их по разным тактам управляющих сигналов. Такое тактирование называется многофазным.

В машинах III поколения такт работы процессора четырехфазный T_проц.=t₁₊t₂₊t₃₊t₄. В машинах IV поколения T_проц=T_i+...+T_i+T₁+T₂+T₃+T_w+...+T_w+T₄+T_i ,где Т_i- холостые синхроимпульсы в режиме ожидания, прерывания, останова ; T₁,T₂,T₃,T₄ – рабочие синхроимпульсы; Т_w – импульсы ожидания определяемые скоростью внешнего устройства.