ЭЛЕМЕНТНЫЙ СИНТЕЗ ЦВМ

— структурный синтез автоматов и их композиций в базисе заданной системы элементов. На этапе Э. с. ЦВМ из заданных элементов создают работоспособные схемы сумматоров, дешифраторов, регистров, счетчиков, схемы автоматов управляющих и др. Э. с. ЦВМ, удовлетворяющий заданным требованиям быстродействия и надежности при миним. структурных затратах, разделяют на следующие этапы; 1) выбор варианта структуры с учетом особенностей элементной базы; 2) получение аналитических ф-ций, описывающих работу заданной схемы в некоторой стандартной (канонической) форме; 3) запись аналитических выражений в заданной системе операторов элементных; 4) обеспечение требуемого качества физ. характеристик схемы; 5) сравнение различных вариантов схемы.

Выбор канонической формы представления ф-ций определяется наличием достаточно эффективных методов ее получения, а также наличием хорошо изученных и простых методов минимизации в соответствии с выбранными критериями. Существенное влияние на выбор канонической формы, а также на методы ее минимизации оказывает заданная функционально полная система элементных операторов. В связи с этим в каждом конкретном случае применения той или иной функционально полной системы элементов возникает задача миним. представления логич. уравнений, описывающих работу заданной схемы с помощью заданной системы элементных операторов.

Возможны два пути решения этой задачи. Первый состоит в произвольном способе перевода некоторой стандартной (в частности, булевой) записи в опорную операторную и минимизации этой записи. При этом предполагаются известными алгоритмы минимизации ф-ций, представленных в операторном виде. Второй путь предполагает использование известных (напр., в булевой алгебре) методов минимизации ф-ций и последующего перевода их в операторную запись. В настоящее время используются оба способа перевода, но общий алгоритм минимизации для произвольных систем операторов не сформулирован, и, вообще говоря, неизвестно, существует ли он.

Существующие методы минимизации блоков ЦВМ типовых сравнительно просты и удобны для формализации, однако методы синтеза произвольных схем с памятью, содержащих обычно также существенную комбинационную часть, разработаны в значительно меньшей мере. Выделение для сложной схемы ее комбинационной и запоминающей части позволяет соответственно использовать при Э. с. ЦВМ возможности развитого аппарата синтеза комбинационных схем. При этом задача минимизации затрат аппаратуры решается путем раздельной минимизации для комбинационной и запоминающей части.

В связи с развитием элементно-технологической базы ЦВМ, что ведет к дальнейшему укрупнению модулей элементов, выравниванию стоимости элементов памяти (триггеров) и комбинационных схем, повышению роли стандартизации, методы Э. с. ЦВМ с указанным выше разделением на комбинационные и запоминающие части становятся неэффективными

В этих условиях минимизация элементов памяти уже не играет доминирующей роли и путем некоторого избыточного увеличения элементов памяти при кодировании можно настолько упростить комбинационную часть, что общие затраты аппаратуры, выраженные в условных единицах (напр., в стоимости реализации входа логич. схемы), будут минимальны (с учетом перераспределения нагрузок, уменьшения требуемого числа входов и т. д.).

Таким образом, надо решать задачу оптимизации схемы в целом, а ее задачу минимизации ее составных частей. При этом оптимизация для типовых блоков ЦВМ достигается получением численник формулу выражающих затраты аппаратуры и быстродействие в зависимости от заданных требований, предъявляемых к узлу, и параметров его элементной структуры и выбором оптим. варианта после сопоставления всех полученных вариантов. Что же касается оптимизации схем произвольных автоматов, то в этом случае используют методики, состоящие в представлении автомата в виде композиции более простых автоматов (компонент композиции), которые выбирают, исходя из свойств кодируемого автомата. В качестве таких компонент часто используют регистровые структуры (см. Автомат регистровый), которые (с постепенным увеличением разрядности) переходит в роль - стандартных модулей на основе современной технологии. Макс. технологичность реализации схем ЦВМ достигается при минимизации числа типов узлов, а также при повторяемости, и однородности структуры. В этом аспекте весьма перспективен Э. с. - ЦВМ на основе однородных структур (см. Вычислительные среды).

Практическое выполнение Э. с. схем на 3 и 4-м этапах основано на использовании идеи присвоения логич. операторам упрощенных физ. зависимостей» позволяющих учитывать качество физ. характеристик схем. В этом случае, кроме логич. характеристики, каждому эяементному оператору присваиваются качественная и весовая характеристики. Качественная характеристика включает в себя приближенную зависимость между физ.

значениями входных сигналов и сигналов на выходе оператора, а также разность между временем установления входного и выходного сигналов. Весовая характеристика является ф-цией стоимости, габаритов, срока службы, а также других факторов, подобных этим. Все эти характеристики используют для обеспечения требуемого качества схем, а также для сравнения схем с точки зрения заданного критерия. На 3-м этапе Э. с. ЦВМ требуется согласование работы элементов и узлов во времени. Поскольку асинхронные схемы в ЦВМ используют сравнительно мало, ниже рассмотрим примеры построения синхронных структур.

Характерной проблемой, возникающей при реализации схем современными элементами, является устранение возможных нарушений работы из-за явлений риска и гонок. Явление риска (риска проблема) заключается в возможности неправильного срабатывания схемы из-за неодновременности возникновения сигналов на прямом и инверсном выходах запоминающего элемента во время его переключения из одного состояния в другое. Риск по переменной имеет место, если при изменении значения аргумента функция не меняет своего значения, но при подстановке в конкретное представление этой ф-ции как для аргумента, так и для инверсии одного и того же значения ф-ция изменяет свое значение. Если имеется риск по соответствующему аргументу при изменении значения ф-ции с на «1», то говорят о риске в нуле, а при изменении с «1» на «0» - о риске в единице.

При представлении булевой ф-ции произвольной дизъюнктивной нормальной формой отсутствует риск в нуле, а при представлении произвольной конъюнктивной нормальной формой — риск в единице. Представления булевых ф-ций в виде сокращенных дизъюнктивных нормальных форм и сокращенных конъюнктивных нормальных форм свободны от риска по всем переменным. Для устранения опасности риска необходимо, чтобы элемент, на входах которого он происходит, имел более двух входов, причем сигнал хотя бы на одном из них при переключении должен оставаться неизменным: равным нулю для элементов «И» и равным единице — для элементов «ИЛИ».

Возникновение явления гонок (гонок проблема) связано с тем, что изменение состояния реальных элементов памяти происходит неодновременно либо из-за случайного разброса времени их переключения, либо из-за различий коммутационных задержек и длины цепочек элементов на входах элементов памяти. Элемент, выигравший эти гонки, раньше других изменит свое состояние и через цепь обратной связи изменит сигналы на входах других элементов, что нарушит требуемую последовательность функционирования автомата. Устранить такие нежелательные последствия можно не только путем подсчета и точного согласования времени прохождения сигналов со временем переброса запоминающих элементов, а и с помощью спец. противогоночного кодирования состояний автомата.

Решение вопросов временного согласования значительно упрощается при введении спец. тактирующего генератора, обеспечивающего принудительное тактирование; при этом автомат становится автоматом синхронным. Относительно просто решается проблема гонок и проблема согласования переходов автомата из одного состояния в другое при использовании принудительного многофазного (в частности, двухфазного) тактирования и удвоения числа запоминающих элементов (см. Потенциальная элементная структура ЦВМ, Элементная структура ЦВМ).

Для правильного функционирования устр-ва необходимо, чтобы автомат, попав в заданное состояние под воздействием входного сигнала с достаточно большой длительностью, оставался в нем до прихода следующего сигнала , а не продолжал переходить из этого состояния в новое состояние до тех пор, пока не закончится действие сигнала. Такую независимость функционирования устройств обеспечивает использование двухфазного тактирования, т. к. переход в любые два соседних состояния тактируется различными фазами синхронизации, а эти фазы соответственно разнесены во времени.

Разработан ряд вариантов использования двухфазного тактирования для схем автоматов на потенциальных элементах, в частности, некоторые такие методы требуют удвоения не числа запоминающих элементов, а числа состояний, что обеспечивается добавлением одного триггера. Чтобы не допустить гонок в менее наглядных конструкциях, чем вариант с удвоением числа триггеров, необходимо выполнение следующего условия: для любых двух «связанных» пар состояний а — бис — d («связанность» пар состояний и выполняется при условии с причем - состояния автомата, отвечающие условию, что существует, по крайней мере, один входной сигнал х автомата, при котором достаточно, чтобы коды этих состояний А, В, С, D были такими, чтобы в них существовала хотя бы одна переменная кодирования, принимающая в кодах А и В значение, противоположное ее значению в кодах С и D. Следовательно, опасности гонок нет, когда наборы А и В, С и D не связаны хотя бы по одной двоичной переменной.

Рациональное временное согласование служит не только обеспечению надежности, но часто позволяет существенно сократить затраты аппаратуры. Напр., если возможная частота работы элементов существенно выше требуемой частоты сдвига кода в n-разрядном сдвиговом регистре на потенциальных элементах, то последовательно за несколько тактов можно выполнить сдвиг кода и уменьшить требуемое число вспомогательных триггеров а в соответствии с формулой

b — число тактирующих фаз. Характерно, что здесь схема регистра не изменяется, а изменяется лишь подключение внешних шин.

В целом задача временного согласования схем ЦВМ достаточно обширна и сложна, ее решение начинается фактически еще на этапе объединения микропрограмм, а завершается на этапе тех. синтеза с учетом монтажных соединений и т. д. Для улучшения и ускорения проверки выполнения временного согласования схем ЦВМ разрабатывают спец. языки и программы для ЦВМ (См. Автоматизация проектирования ЦВМ, Инженерные методы синтеза дискретных автоматов).

Лит.: Глушков В. М. Синтез цифровых автоматов. М., 1962 [библиогр. с. 464—469]; Рабинович 3. Л., Капитонова Ю. В. Общие принципы сивтеза комбинационных схем. «Журнал вычислительной математики и математической физики», 1963, т. 3., № 4; Йацевнтнй Л. В., Денисенко Е. Л. О кодировании внутренних состояний некоторых многотактных устройств. «Кибернетика», 1966, M.; Рабинович 3. Л. Элементарные операции в вычислительных машинах. К., 1966 [библиогр. с. 299—301]; Рабинович 3. Л., Капитонова Ю. В., Комухаев Э. И. Методика кодирования состояний конечных автоматов с точки зрения минимизации аппаратурных затрат. В кн.: Теория дискретных автоматов. Рига, 1967.

В. Н. Коволь, Э. И. Комухаев.