Файл: Потемкин, И. С. Построение функциональных узлов на потенциальных системах элементов учебное пособие.pdf

должен попытаться найти схемы свертки, которые бы наи­ лучшим образом реализовались именно в его системе эле^ ментов.

Поскольку узлы контроля для произвольного п можно на­ бирать из одинаковых блоков, эти узлы хорошо поддаются унификации, а регулярная структура блоков позволяет вы­ пускать их в виде СИС.

Г л а в а 7

СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ

7-1. Длительность и частота тактирующих сигналов

Тактовая частота устройства иногда может быть жестко задана. Она может, например, определяться длительностью цикла ЗУ микропрограмм или Бременем цикла другого уст­ ройства, в паре с которым должно работать данное устрой­ ство. На выбор тактовой частоты могут оказывать влияние и некоторые другие факторы. Так, например, в момент пере­ ключения логических элементов их потребление по питанию существенно возрастает, и в цепях шпаиия протекают пере­ ходные процессы. Если цепи питания и «земли» спроектиро­ ваны недостаточно хорошо, приходится увеличивать длитель­ ность тактового периода сверх минимума, необходимого для срабатывания логических схем, чтобы переходные процессы закончились к моменту поступления следующего такта. В противном случае, из-за наложения друг на друга ш скольких переходных процессов, напряжение питация может в неко­ торые моменты времени выходить за допустимые пределы, что приведет к появлению сбоев в работе устройства. Рас­ смотрение подобных факторов выходит за рамки тематики данной книги. Поэтому будем считать, что описанные н по­ добные им ограничения отсутствуют, и рассмотрим, как влияют на выбор тактовой частоты общие требования к циф­ ровому устройству по скорости и тип применяемых функцио­ нальных узлов.

Вспомним величины задержки различных функциональных узлов. Задержка КЛС сдвигателя изменяется от 0 (после­ довательный сдвигатель, КЛС которого — просто провод) до 2 t-log2« (полный матричный сдвигатель на произвольное число разрядов от 0 до п). Задержка КЛС дешифратора из­ меняется от т до 6т в зависимости от его типа, наличия вы­

106

ходных инверторов. Задержка тракта переноса счетчика из­

меняется от -^-тп для счетчика с одновременным переносом

О

и шестью триггерами в группе до 2тп для счетчика с после­ довательным переносом. Можно построить счетчик с пирами­ дальной структурой тракта переноса, задержка которого оп­ ределяется величиной 2T-log2«. Задержка сумматоров имеет примерно тот же диапазон, что и счетчиков [Л. 1,5]. Различ­ ные узлы свертки чисел имеют задержку (l,5-f-3)T-log2n.

Если обработка информации происходит согласно рис. 19, т. е.: 1) синхросигналы одной из синхросерий С управляют входными вентилями линейки триггеров, принимающих ин­ формацию с КЛС предыдущего яруса и запоминающих ее до поступления следующего тактового сигнала той же серии, 2) к выходам триггеров подключены КЛС, не имеющие па­ мяти и 3) информация с их выходов подается на следующую линейку триггеров, стробируемых второй синхросерией, и т. д., то для того, чтобы определить полную задержку сигна­ ла на данном ярусе, нужно к задержке КЛС прибавить за­ держку триггеров, подключенных к их выходам. (Не путайте задержку триггера с минимально необходимой длитель­ ностью входного сигнала триггера, равной 4т; это просто за­ держка триггера от входа к выходу: входной вентиль — одно плечо триггера — второе плечо триггера, т. е. Зт.) С учетом задержки триггера и при слове средней длины (п=32) основ­ ные функциональные узлы будут иметь следующие времена задержек, исходя из которых нужно выбирать длительность полутакта:

передача слов между регистрами Зт; сдвигатель (3-г-13)т; дешифратор (3-!-7)т; счетчик, сумматор (13-т-67)т; схемы свертки (11-М8)т.

Вспомним также, что КЛС с большой глубиной всегда

можно разбить на несколько ярусов. При этом операцию можно выполнять как по линейной схеме, введя между яру­ сами КЛС дополнительные буферные регистры, так и по циклической схеме, когда используются всего 2 регистра, и операция выполняется за несколько циклов передач слова из регистра в регистр и обратно через соответствующие КЛС. Ь этом случае, если КЛС разбиваемого на ярусы узла со­ стоит из однотипных каскадов (таковы, например, КЛС схем свертки), то при выполнении операции по циклической схеме

107

можно поместить в тракте передачи между регистрами лишь

сигнала. Выбор определяется требованиями к скорости уст­

дешевому варианту и обладающие максимальной глубиной. Сюда прежде всего относятся счетчики и сумматоры с пос­ ледовательным распространением переноса. Тогда, учитывая приведенные выше временные оценки функциональных уз­ лов, длительность тактового сигнала нужно выбирать около 70т. Может оказаться выгодным выполнить за время того же полутакта и все соответствующие переключения Устрой­ ства управления, тогда длительность полутакта нужно еще увеличить, возможно в 2-f-2,5 раза, если в состав Устройства управления входят медленные счетчики.

Тот факт, что все другие узлы, обладающие меньшей глубиной, будут значительную часть такта простаивать, в данном случае значения не имеет.

Если проектируется быстродействующее, дорогое устрой­ ство, длительность полутакта целесообразно выбрать такой, чтобы за время его действия успевали срабатывать узлы, по­ строенные по пирамидальному принципу. За счет усложнения структуры можно все передачи слов делать через КЛС, вы­ полняющие какую-либо операцию, т. е. практически избежать потерь времени на холостые передачи. Длительность такто­ вого сигнала с учетом некоторого запаса в этом случае бу­ дет составлять (16-Н20)т.

При разработке устройств, занимающих промежуточное положение по скорости и стоимости, придется отказаться от дорогих пирамидальных узлов. Такие операции, как сдвиг и свертка, целесообразно будет выполнять по циклической схеме, т. е. за несколько машинных тактов, используя КЛС с малой глубиной. В этом случае длительность полутакта це­ лесообразно выбрать в пределах (8-f-10)т, а на выполнение операций счета и суммирования отводить несколько машин­ ных тактов, для чего придется немного усложнить устройств

103

во управления. При разумном подборе глубины схем дли­ тельность такта в большинстве случаев может быть исполь­ зована полностью.

Длительность полутакта, выбранную на основе приведен­ ных рассуждений, назовем «Логической длительностью полу­ такта» ЛДП.

7-2. Разводка тактовых сигналов

Синхросигналы вырабатываются одним тактовым генера­ тором, а используются для синхронизации сотен или тысяч элементов во всех функциональных узлах цифрового устрой­ ства. Создание одного мощного генератора и разводка его сигналов по всему устройству встречает много трудностей, связанных в основном с защитой от сильных помех, которые мощный сигнал наводит на слаботочные сигнальные цепи логических элементов. Поэтому в современных цифровых уст­ ройствах задающий генератор выполняют маломощным, а его выходной сигнал размножают с помощью стандартных логи­ ческих элементов по схеме, имеющей вид дерева, как на рис. 58,а. К тупиковым вершинам дерева подключены син­ хронизируемые входы вентилей функциональных узлов. Чис-. ло каскадов дерева, с одной стороны, определяется необхо­ димым числом тупиковых вершин и нагрузочной способ­ ностью элементов, а с другой — на число каскадов заметное влияние оказывает конструкция устройства, так как часто точки ветвления дерева соответствуют разбиению схемы на конструктивные единицы (ТЭЗ, панель, рама, шкаф). Для упрощения рассуждений рассмотрим конкретную четырех­ каскадную схему ветвления (рис. 58,а), когда сигналы за­ дающего генератора G разводятся на несколько рам, внутри каждой рамы синхросигналы разводятся по нескольким па­

дальнейшие рассуждения, кроме цифровых данных, останут­ ся в силе и при другом числе каскадов.

Синхросигнал в каждом каскаде задерживается, и на вер­ шинах дерева сигналы, прошедшие по различным путям, будут сдвинуты во времени на различную величину, но не более 1т на каскад. Кроме того, при неудачном сочетании крайних значений параметров передаточной характеристики элементов, составляющих дерево, может наблюдаться сок­ ращение длительности проходящего по нему сигнала С. Ре-

109

Рис. 58. Разводка синхросигналов в тактированном устройстве: а — дерево разводки сигналов; б — временные соотношения син­ хросигналов

110