регистры и тем более ЭУМ. В зависимости от принципа взаимосвязи ФБ через ФС многоблочные ДУ делятся на два типа: с рассредоточенными функциональными связами (рис. 1.4,а) и с концентрированными функциональными связями (рис. 1.4,6). К первому типу относятся регистры и маркеры, а ко второму - ЭУМ и все другие устройства программного типа [2, З].

Как видно из рис. 1.4,6, в многоблочных ДУ второго типа, в отличие от ДУ первого типа (см. рис. 1.4,а), функциональные связи между отдельными ФБ отсутствуют. В ДУ с концентрированными ФС имеется центральный блок управления (ЦБУ), который связан функциональными связями со всеми ФБ. По этим связям от ФБ (ЛФБ) в ЦБУ поступает осведомительная информация, а от ЦБУ к ФБ (ОФБ или ЛФБ) -управляющая информация. В таких ДУ, называемых программными, порядок работы ФБ определяется выдаваемой из ЦБУ управляющей информацией в зависимости от поступающей от ЛФБ в ЦБУ осведомительной информации и заложенным в ЦБУ алгоритмом функционирования.

Алгоритм функционирования любого дискретного управляющего устройства может рассматриваться как его алгоритмическое описание. В случае, когда по заданному алгоритму функционирования построена структурная схема дискретного устройства в том или ином элементном базисе, говорят, что алгоритмическоеописание переведено в структурное, представляющее собой структурную модель заданного алгоритма функционирования ДУ.

Альтернативой структурному моделированию алгоритма функционирования является программное моделирование. При программном моделировании алгоритм функционирования ДУ представляется в виде последовательности так называемых команд, каждая из которых определяет операцию над множеством исходных или промежуточных данных (операндов) и номер следующей команды. В качестве операнд могут рассматриваться как отдельные одно- и многоразрядные числа, хранящиеся в запоминающих устройствах (ЗУ), так и наборы значений входных сигналов (в частности, одного сигнала), которые также могут быть предварительно записаны в ЗУ в виде многоразрядных чисел.

Упорядоченная совокупность команд, однозначно описывающая заданный алгоритм функционирования, называется программой, а представление алгоритма функционирования в виде программы-программным моделированием алгоритма. Для хранения программы может быть использовано запоминающее устройство, в котором для каждой команды обычно предусматривается отдельная ячейка. Следует заметить, что структурой дискретного устройства, аппаратно реализующей его алгоритм функционирования, обеспечивается активное выполнение последнего в соответствии с воздействующими на ДУ входными сигналами.

В отличие от аппаратной реализации при структурном моделировании алгоритма функционирования, программа, реализующая тот же алгоритм при программном моделировании, является пассивной, т. е. она является не устройством, а некоторой записью данного алгоритма. Для чтения этой записи и выполнения команд программы используется универсальное дискретное устройство - процессор (Пр). При этом процессор выполняет любую, но в один и тот же момент одну

операцию имеющуюся в программе (;зис. 1.5,аД.

Процессор вырабатывает в УУ запоминающего устройства для хранения программ (УУ-ЗУП) сигнал на считывание из него очередной команды, например Кг После того, как команда Ki, содержащая (рис. 1.5,6) код операции (КОП), которую необходимо выполнить над операндами, хранящимися в ЗУ данных (ЗУП) в ячейках О1 и От, адреса которых (а1 и A2 соответственно) указаны в команде, поступит в процессор, он вырабатывает а УУ-ЗУП сигнал считывания этих операнд из ЗУД. Результат выполнения над ними операции, код которой указан в команде Ki, отправляется в ячейку (пусть Oi) ЗУП по адресу Аз. По окончании выполнения команды Кг процессор вырабатывает сигнал в УУ-ЗУП на считывание очередной команды Ki адрес An, который указан в реализованной команде. После считывания из ЗУП команды К; процессор настраивается на выполнение той операции, код которой указан в этой команде, и т. д.

Таким образом, если при структурном моделировании заданного алгоритма функционирования ДУ аппаратно реализует весь алгоритм, то при программном моделировании процессор обеспечивает реализацию всего алгоритма функционирования путем последовательного выполнения четко разграниченных отдельных операций (актов алгоритма), определяемых хранящейся в ЗУП программой. Легко понять, что при структурном моделировании изменение алгоритма функционирования требует изменения структурной схемы дискретного устройства, тогда как при программном моделировании необходимо соответственно изменить лишь хранящуюся в ЗУП программу. В связи с этим управляющие устройства при программном моделировании алгоритма функционирования являются достаточно универсальными ДУ, тогда как ДУ с аппаратурной реализацией ориентированы на выполнение вполне определенного алгоритма функционирования.

Следует заметить, что при программном моделировании могут быть реализованы только те алгоритмы функционирования, которые удастся представить в виде программы, команды которой содержат операции, реализуемые в процессоре данного программного ДУ. Однако на практике число выполняемых процессором операций выбирается таким, что с их помощью можно описать любой алгоритм функционирования. Такой набор операций называется функционально полным. Вместе с тем функционально полные наборы могут заметно отличаться друг от друга составом операций. При этом один набор позволяет более компактно описать один класс алгоритмов, а другой набор - иной класс. В таких случаях говорят, что наборы операций являются проблемно-ориентированными, т. е. специализированными для описания алгоритмов решения тех или иных проблем.

Структурное (аппаратное) и программное моделирования являются крайними принципами реализации алгоритма функционирования ДУ. Промежуточным между ними является принцип реализации структуры ДУ в базисе однородных сред, рассматриваемых в гл. 5.

Успехи в области микроэлектроники привели к созданию дешевых и малогабаритных больших и сверхбольших интегральных схем, которые позволили размещать функциональные блоки ДУ либо непосредственно на самом ОУ, либо в его отдельном блоке ОУ, существенно сократив тем самым проводность такого децентрализованного ДУ (рис. 1.6,а). Наличие среди БИС и СБИС высокопроизводительных микропроцессоров обеспечивает возможность построения распределенных ДУ (рис. 1.6,6) без ЦБУ. На этой основе стало целесообразным строить ДУ

сосредоточенными ФС, фунциональные блоки которого не сосредоточены в одном устройстве, а распределены по БОУ. Такой принцип, называемый распределенным принципом построения ДУ, все шире используется при создании дискретных устройств и систем автоматики [4].

1.2. Этапы проектирования дискретного устройства

Процесс проектирования современных дискретных устройств сложен, поэтому его выполняют в несколько этапов. Как правило, выделяют следующие основные этапы проектирования: системное, программно-логическое, техническое и технологическое.

На этапе системного проектирования по заданным тактико-техническим требованиям к проектируемому устройству, обычно сформулированным в виде технического задания (ТЗ), составляется общее алгоритмическое описание дискретного устройства, представляющее собой задание условий его работы (т. е. алгоритм функционирования), по которому разрабатывается блочная структура устройства или, как говорят, архитектура устройства.

Основной исходной информацией для выполнения этапа системного проектирования служат содержащиеся в ТЗ сведения о назначении ДУ и тех функциях, которые оно должно реализовать, а также основные параметры (часто с указанием допустимых пределов отклонения от их средних значений) проектируемого. ДУ - быстродействие, надежность, стоимость, габаритные размеры и др.

Результатами выполнения этапа системного проектирования являются состав блоков, структура их соединений и общее алгоритмическое описание каждого из блоков. Обычно алгоритмическое описание каждого из блоков отличается от алгоритмического описания всего ДУ более детальной формулировкой реализуемых функций. Так, если в качестве отдельных операций в алгоритмическом описании всего ДУ

рассматриваются макрооперации, выполняемые целым блоком, то в алгоритмическом описании соответствующего блока такая макрооперация расшифровывается и представляется уже в виде частного алгоритма выполнения более мелких операций. Заметим, что для достаточно сложных устройств удобно каждый из блоков ДУ представлять в виде совокупности подблоков. Тогда каждая из операций, реализуемая блоком, при алгоритмическом описании подблока представляется в виде частного алгоритма выполнения еще более мелких операций- микроопераций.

Алгоритмическое описание ДУ, блока и подблока может быть представлено как на обычном неформализованном, например русском языке, так и на одном из формализованных языков, используемых в теории автоматов [I, 3]: на языке таблиц переходов, языке логических схем алгоритмов и т. д. При этом очевидно, что для автоматизации процесса проектирования ДУ необходимо использование одного или нескольких формализованных языков.

На этапе системного проектирования выбирается также принцип реализации алгоритма функционирования всего ДУ и/или его блоков - аппаратный, программный с использованием одной из выпускаемых ЭВМ или программно-аппаратный с разработкой специализированного программного устройства (машины).

В течение многих лет задачи, возникающие на этапе системного проектирования, выполнялись проектировщиком в основном интуитивно, на базе его личного опыта, поэтому получаемые при этом решения в значительной степени определялись квалификацией и опытом проектировщика. И сама формализация алгоритма функционирования, т. е. запись условий работы дискретного устройства на языке также осуществлялась проектировщиком на основе опыта и интуиции, что не способствовало получению оптимальных решений на последующих этапах. В последнее время были разработаны формализованные методы решения отдельных задач системного проектирования, что позволило на этапе системного проектирования использовать ЭВМ. Это не только ускорило процесс проектирования, но и повысило качество получаемых решений.

В настоящее время на этапе системного проектирования очень широко используется моделирование процесса функционирования на ЭВМ. Обычно анализ вытекающих из ТЗ особенностей функционирования проектируемого ДУ с целью определения основных принципов и возможных вариантов его построения производится опытным специалистом. Дальнейший процесс системного проектирования может выполняться с применением ЭВМ. При этом по определенным критериям (производительности, надежности, стоимости и т. п.) с помощью ЭВМ из множества вариантов, отобранных для рассмотрения специалистом, может быть выбран один наилучший вариант разбиения ДУ на блоки с указанием схемы организации обмена между блоками и принципа реализации как блоков, так и всего ДУ в целом, а также распределения «функций между аппаратными и программными средствами. На этом же этапе может быть выбран один или несколько элементных базисов.

При оптимизации блочной структуры ДУ может использоваться статистическое моделирование.

Процесс системного проектирования носит, как правило, итерационный характер. Вначале принимаются во внимание лишь самые общие свойства условий работы ДУ, на основе которых определяется первоначальный вариант принципа построения ДУ. Затем постепенно в процессе проектирования вводятся дополнительные условия и осуществляется все большая детализация принципа построения ДУ. В результате получается структура ДУ, соответствующая предъявляемым к нему требованиям. Естественно, число итераций и длительность этапа системного проектирования существенно зависят от сложности проектируемого ДУ. Если для достаточно сложных ДУ типа ЭУМ этап системного проектирования может занимать десятки процентов времени разработки всей ЭУМ, то при проектировании, скажем, счетчика на десять импульсов этап системного проектирования не выделяется, а отдельные задачи, обычно выполняемые на этапе системного проектирования (например, выбор элементного базиса), решаются непосредственно на этапе программно-логического или технологического проектирования.

На этапе программно-логического проектирования разрабатываются функциональные схемы каждого из блоков. При этом по общему алгоритмическому описанию, заданному на одном из формализованных языков, производится построение функциональной схемы в заданном базисе логических элементов.

В связи с широким использованием в устройствах автоматики микропроцессоров, ЭВМ и других программных дискретных устройств процесс логического проектирования в том или ином базисе элементов заменяется для программных ДУ процессов программирования алгоритма функционирования в базисе команд, применяемого программного устройства (микропроцессора, микроЭВМ и т. п.).

При программно-аппаратной реализации ДУ на данном этапе осуществляются логическое проектирование аппаратной части ДУ в базисе логических элементов и программирование алгоритма функционирования в базисе выбранной системы команд. Учитывая, что во многих современных ДУ в той или иной степени используются микропроцессоры и другие программные устройства в настоящее время удобно говорить об этапе программно-логического проектирования, а не логического, как это было в прошлом, когда принцип построения дискретных устройств автоматики базировался лишь на основе аппаратной реализации алгоритма функционирования ДУ. При этом следует заметить, что в