Принцип микропрограммного управления допускает, что цифровое устройство состоит из двух частей: операционный автомат (ОА) и управляющий автомат (УА). В операционном устройстве выполняются арифметические и логические операции, в качестве узлов в состав операционного устройства входят: регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы и др. УА формирует последовательность управляющих символов в ОА, под воздействием каких ОА реализует более сложные алгоритмы. Такие последовательности операций называются микропрограммами, и обычно записываются в виде граф схемы алгоритма. УА разделяются на большие группы: автоматы с жесткой логикой и автоматы с программируемой логикой. В свою очередь автоматы с жесткой логикой подразделяются на автоматы, выполненные по схеме Мили, или Мура. В автоматах с жесткой логикой схема автомата однозначно интерпретирует схему графа микропрограммы.
Закон функционирования автомата Мили задается уравнениями:
a(t+1) = д(a(t), z(t)); w(t) = л(a(t), z(t)), t = 0,1,2,...
Закон функционирования автомата Мура задается уравнениями:
a(t+1)=д(a(t), z(t)); w(t) = л(a(t)), t = 0,1,2,...
Из сравнения законов функционирования видно, что, в отличие от автомата Мили, выходной сигнал в автомате Мура зависит только от текущего состояния автомата и в явном виде не зависит от входного сигнала.
Так что вполне логичной является реализация управляющих структур на ПЛИС.
Одним из видов реализации УА Мура на ПЛИС (а точнее на программируемой логической матрице - ПЛМ) является элементаризация линейных последовательных состояний, который в свою очередь делится на два других способа:
а) с преобразователем кодов элементарных линейных последовательных состояний (ЛПС).
б) с оптимальным кодированием элементарных ЛПС.
Синтез схемы по первому принципу начинается с того, что формируются ЛПС. Затем составляется множество входов ЛПС I. Текущая вершина включается в это множество в случае если она связана с: начальным состоянием; условной вершиной; вершиной, которая не входит в элемент ЛПС текущей вершины; вершиной, которая входит в элемент ЛПС текущей вершины и код такой вершины, больше чем код текущей вершины. Начальная вершина входит в множество I ,если после не идёт условная вершина. После этого формируются классы псевдоэквивалентных ЛПС Bi, куда входят элементы, которые переходят в одно состояние. Классы Bi минимизируются с помощью карт Карно (если такое возможно). Формируется таблица переходов. Функционально схема реализации этого алгоритма состоит из следующих узлов (рис.1):
- ПЛМ1 – формирует коды элементарных ЛПС из условных состояний и кодов Z
- Регистр – хранит состояния из ПЛМ1 и подаёт их на ПЛМ2 и на ПЗУ.
- Счётчик – считает номера элементов внутри ЛПС по сигналу от ПЗУ. Коды на выходе подаются на ПЗУ, для выборки микрокоманды.
- ПЛМ2 – преобразователь кодов.
- ПЗУ – формирует выходные состояния и сигнал счёта следующей микрокоманды внутри ЛПС по сигналам от регистра и счётчика.
Структурная схема композиционного микропрограммного устройства управления с преобразование кодов состояния
Второй метод - оптимальное кодирование элементарных ЛПС - похож на предыдущий, однако в нём отсутствует преобразование кодов, в связи с чем уменьшаются аппаратурные затраты, а вместе с ним и затраты финансовые. Синтез схемы начинается также с разбиения граф-схемы алгоритма (ГСА) на ЛПС, по тем же принципам, что и в схеме с преобразователем кодов элементарных ЛПС. Затем формируются и кодируются классы псевдоэквивалентных ЛПС. Также формируется таблица переходов. В схеме данного алгоритма ,как уже было сказано, отсутствует преобразователь кодов ПЛМ2 и результат из регистра поступает непосредственно на ПЛМ1. В остальном работа схемы аналогична предыдущему случаю.
В перспективе планируется разработка программного модуля, который ,получая на входе ГСА, описанную в формате *.xml, определяет параметры устройств, необходимых для синтеза схемы управляющего автомата, а также площадь самой схемы. Кроме того, программный модуль должен выполнять синтез схемы устройства управления согласно заданной структуре с преобразователем кодов.