4.5. Управляющие и операторные автоматы

Вычислительное устройство с программным управлением всегда можно представить в виде композиции двух устройств - управляющего (УА) и операционного (ОА) автоматов (рис. 4.12). Так, в ЭВМ к операционному автомату следует отнести блоки памяти, каналы передачи информации, т. е все те устройства, которые выполняют некоторые операции. Элементарный акт обработки информации в операционном автомате, происходящий в течение одного момента времени (одного такта работы автомата), называется микрооперацией. Совокупность микроопераций, объединенных алгоритмом операции, составляет микропрограмму операции, которая обеспечивает связь между командой (кодом операции) и операционным устройством, предназначенным для преобразования информации [6].

Рис. 4.12 Вычислительное устройство с программным управлением, - множество управляющих сигналов; – множество сигналов о ходе выполнения микроопераций; (К. оп) - код операции.

К управляющему автомату относят ту часть ЭВМ, которая координирует и определяет последовательность преобразования информации. Таким образом, задачей управляющего автомата является выработка распределенной во времени последовательности управляющих сигналов, под действием которых в операционном автомате осуществляется некоторая операция. Устройство, вырабатывающее управляющие сигналы в заданной последовательности, можно рассматривать как управляющий автомат Мура или Мили.

Следовательно, любое операционное устройство – процессор, канал ввода-вывода и др. – является композицией операционного и управляющего автоматов. Операционный автомат, реализуя действия над словами информации, является исполнительной частью устройства, работой которого управляетуправляющий автомат, генерирующий необходимые последовательности управляющих сигналов.

Совокупность микроопераций и функций перехода образует микропрограмму. Таким образом, для описания микропрограммы необходимо задать множество микрокоманд и функций перехода, определяющих порядок их выполнения.

Алгоритм выполнения некоторой процедуры (операции) преобразования информации, представленный в форме последовательности микрокоманд, образует микропрограмму этой процедуры (операции). Исходными данными для синтеза УА являются: схема операционного автомата с функциями, определенными в виде списка реализуемых микрокоманд, содержательная граф-схема алгоритма или, используя введенное выше определение, граф микропрограммы этой операции.

Операционный и управляющий автоматы определяются своими функциями – перечнем выполняемых ими действий.

Функция операционного и управляющего автомата определяется следующей совокупностью сведений:

1) множеством входных слов , вводимых в автомат в качестве операндов;

2) множеством выходных слов , представляющих результаты операций;

3) множеством внутренних слов , используемых для представления информации в процессе выполнения операций. Можно считать, что входные и выходные слова совпадают с определенными внутренними словами,.

4) множеством микроопераций , реализующих преобразованиенад словами информации, где– вычисляемая функция;

5) множеством логических условий , где- некоторая булева функция;

Следовательно, функция ОА задана, если заданы (определены) множества ,,,,. Функция устанавливает список действий-микроопераций и логических условий, которые может выполнять автомат, но никак не определяет порядок следования этих действий во времени. Таким образом, функция ОА характеризует средства, которые могут быть использованы для вычислений, но не сам вычислительный процесс.

Порядок выполнения действий во времени определяется в форме функций управляющего автомата.

Функция управляющего автомата – это операторная схема алгоритма (микропрограммы), функциональными операторами которой являются символы , отождествляемые с микрооперациями, и в качестве логических условий используются булевы переменные . Операторная схема алгоритма наиболее часто представляется в виде граф-схемы алгоритма (ГСА). ГСА определяет вычислительный процесс последовательно во времени, устанавливая порядок проверки логических условий и порядок следования микроопераций .