Управляющий автомат
Управляющий автомат (устройство управления) – это компонент аппаратного обеспечения компьютера.
Управляющий автомат представляет собой конечный дискретный автомат. Основными элементами управляющего автомата являются:
- Дешифратор операций (команд).
- Регистр команд.
- Узел формирования текущего исполнительного адреса.
- Счетчик команд.
В современных процессорах установлен микропрограммный управляющий автомат, в состав которого также входит постоянное запоминающее устройство микрокоманд.
Более подробная функциональная схема управляющего автомата изображена на рисунке ниже.
Рисунок 1. Функциональная схема управляющего автомата. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
При выполнении программы управляющий автомат на входе получает команду программы (инструкцию), поступающая в регистр команд. Данный регистр состоит из двух частей: хранилище кода операций и хранилища адресов операндов, которые участвую в управлении. Код операции отправляется в дешифратор, которым запускается последовательность смены состоянии автомата. Суть работы управляющего автомата таким образом заключается в выставлении комбинаций сигналов управления на линиях. При переходе автомата из одного состояния в другое должно учитываться состояние регистра признаков результата выполнения предыдущих операций (для этого используется регистр флагов), состояние управляющих входов. На выход управляющий автомат выдает последовательность импульсов управления. После завершения выдачи всех управляющих импульсов, для того, чтобы выполнить текущую команду считывается код следующей операции.
Управляющие автоматы, как правило, синхронизируются внешними тактовыми импульсами, которые формируются генераторами тактовых импульсов, то есть переход из одного состояния в другое автоматом управления происходит на каждом тактовом импульсе.
Проектирование управляющего автомата
Проектирование управляющего автомата, в зависимости от технического задания и имеющихся ресурсов, может состоять из следующих этапов:
- Абстрактный синтез.
- Структурный синтез.
- Разработка и анализ функциональной схемы управляющего автомата.
- Описание элементов физического синтеза.
- Описание управляющего автомата на языке VHD.
- Моделирование автомата при помощи компьютера и специальных программ.
Абстрактный анализ автомата предполагает описание его логических схем алгоритмов. Самая распространенная разновидность языка, которая позволяет описывать логические схемы алгоритмов, является язык граф-схем алгоритмов.
Граф-схема алгоритма – это связный граф, который содержит одну начальную вершину, произвольное количество операторных и условных вершин, а также конечную вершину.
Используемая граф-схема алгоритма должна соответствовать некоторым условиям: выходы и входы соединены с друг другом при помощи дуг (от входа к выходу; каждый выход соединяется только с одним входом; любой вход должен быть соединен минимум с одним выходом; каждая вершина графа лежит хотя бы на одном пути из начальной вершины к конечной; в каждой условной вершине должен быть записан один из элементов множества логических условий; в каждой операторной вершине записывается один из элементов множества операторов.
Структурный синтез управляющего автомата подразумевает физическую реализацию схемы проектируемого управляющего автомата из выбранных запоминающих и логических составляющих, которая должна функционировать в соответствии с заданными таблицами переходов и выходов ранее полученного абстрактного автомата. Каждой операции (команде), которая отдельно представлена в графе ставится в соответствие отдельное состояние управляющего автомата, которое отмечается функциональными сигналами и соответствующими командам. Условие, при котором происходим переход от команды к команде представляется в виде конъюнкции входных сигналов, которые оказывают влияние на процесс перехода. Каждая такая конъюнкция записывается таким образом, чтобы набор входных переменных, которые обращаются в единицу, соответствовал всем условиям перехода. Для построения управляющего автомата могут быть использованы синхронные RS - триггеры, пример таблицы переходов которых изображен на рисунке ниже.
Рисунок 2. Таблица переходов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
После этого рассчитывается количество триггеров структурного автомата, составляется кодированная таблица переходов и выходов, которая необходима для определения их функций возбуждения. После этого составляется и анализируются функциональная схема управляющего автомата и его составляющие.
По полученным результатам осуществляется описание управляющего автомата на языке VHD, который широко используется для описания разнообразной аппаратуры. Последним этапом проектирование является моделирование автомата на персональном компьютере. Для этого используются специальные программы, одной из самых распространенных среди них является ModelSim.
