51. Характеристики операционного автомата. Явление гонок в операционных автоматах

Характеристики операционного автомата

Основные характеристики операционного автомата – производительность, быстродействие и затраты оборудования (стоимость).

Производительность операционного автомата определяется количеством микроопераций, выполняемых автоматом за один такт.

В одном такте могут выполняться только совместимые микрооперации, фигурирующие в одном операторе микропрограммы, и их число может изменяться от такта к такту. Следовательно, количество микроопераций, выполняемых за один такт, можно рассматривать как дискретную случайную величину. Фактор случайности вносится исходными данными D, в зависимости от значений которых процесс выполнения микропрограммы может развиваться по различным путям, определяемым графом микропрограммы. С учетом этого производительность оценивают либо максимальным значением, равным максимальному числу микроопераций, которое может выполнить автомат в течение такта, либо средним значением. Средняя оценка производительности вычисляется следующим образом. Микропрограмма состоит из К операторов, каждый из которых содержит m_k микроопераций (к=1, ..., К), выполняемых совместно за такт времени. При одной реализации микропрограммы каждый оператор выполняется в среднем q_k раз. Исходя из этих значений среднее число микроопераций, выполняемых автоматом в такте, оценивается величиной:

.

Средняя производительность V зависит от свойств микропрограммы (числа совместимых микроопераций в операторах и частоты использования операторов) и структуры автомата, которая может налагать ограничения на совместимость микроопераций.

Быстродействие операционного автомата характеризуется длительностью такта Т операционного автомата. Чем меньше длительность такта, тем выше быстродействие автомата. Быстродействие зависит, в основном, от внутренней структуры комбинационных схем φ и ψ и скоростных характеристик логических и запоминающих элементов, используемых в комбинационных схемах и памяти автомата.

Затраты оборудования в операционном автомате определяются суммой затрат оборудования в памяти автомата S, комбинационных схемах φ, реализующих микрооперации, и комбинационных схемах ψ, вычисляющих значения логических условий.

Каноническая структура имеет максимальную производительность по сравнению с другими вариантами структур, реализующих один и тот же алгоритм. Это объясняется тем, что каноническая структура не вносит ограничений на совместимость микроопераций: все функционально совместимые микрооперации могут выполняться параллельно в одном такте. Поэтому затраты времени на выполнение алгоритма с использованием канонической структуры минимальны по сравнению с другими вариантами структур операционных автоматов. Меньших затрат времени можно достичь, изменив алгоритм выполнения операций в устройстве.

Быстродействие различных структур операционных автоматов, построенных на одной и той же элементной базе, различается незначительно. Но все-таки каноническая структура обладает наивысшим быстродействием (ей присуща наименьшая длительность такта) по сравнению с другими вариантами структур.

В большинстве случаев каноническая структура не является минимальной по количеству используемого оборудования, что вызвано следующими причинами:

1) память автомата может быть избыточной в отношении рассматриваемого алгоритма;

2) множество схем Z = {φ₁, …, φ_n, ψ₁, …, ψ_m} может содержать схемы, эквивалентные по реализуемым функциям;

3) множеству схем Z может соответствовать другое множество Z', эквивалентное по своим функциям, но порождающее меньшие затраты оборудования. Указанные причины устраняются следующим образом.

Для минимизации памяти автомата разработан ряд формальных методов, позволяющих преобразовать алгоритм таким образом, чтобы минимизировать количество слов, используемых в алгоритме для представления данных. Избыточность комбинационных схем Z = {φ₁, …, φ_n, ψ₁, … ψ_m} вызвана следующим. В схеме (рис. 6.15) для выполнения микроопераций у₄, у₅, используются два сумматора, эквивалентные с точки зрения реализуемых ими функций. Затраты оборудования уменьшатся, если для выполнения двух микроопераций использовать один сумматор. Таким образом, несколько комбинационных схем φ₁, …, φ_n, реализующих одинаковые функции, можно заменить одной схемой, что позволяет уменьшить количество оборудования в автомате. Наконец, путем глубоких преобразований алгоритма, приводящих к изменению набора микроопераций и логических условий, можно создать набор для реализации которого потребуются комбинационные схемы Z', приводящие к меньшим затратам оборудования по сравнению со схемами Z.

Таким образом, каноническая структура, реализующая заданную функциональную микропрограмму (алгоритм), имеет максимально возможную при данной микропрограмме производитель и максимальное быстродействие. Каноническая структура синтезируется прямо по функциональной микропрограмме без использования, каких бы то ни было, процедур минимизации затрат оборудования. Поэтому в общем случае каноническая структура является избыточной по количеству используемого оборудования.

Явление гонок в операционных автоматах

Как и в управляющих автоматах в операционных автоматах могут происходить гонки. Явление гонок состоит в следующем. В момент поступления управляющего сигнала, инициирующего микрооперацию, в схеме начинается процесс передачи сигналов с выходов регистров через комбинационную схему к входам триггеров регистра, которому присваивается новое значение, вычисляемое комбинационной схемой. Под воздействием входных сигналов триггеры регистра переключаются в новые состояния.

Из-за различия временных характеристик цепей, по которым распространяются сигналы, может прекратиться выработка одних сигналов возбуждения под воздействием других, имеющих меньшее время распространения, в результате чего некоторые запоминающие элементы не успевают переключиться в требуемые состояния. Такое явление называется гонками сигналов. Результат гонок – искажение функций, выполнение которых возложено на схему.

Для предотвращения гонок необходимо использовать триггеры с динамическим управлением и корректно рассчитать период синхросигнала.