Исследование аппаратурных затрат в микропрограммном автомате с операционным автоматом переходов

Abstract

RU: Актуальность. Решена задача определения аппаратурных затрат в логической схеме микропрограммного автомата с канонической структурой и микропрограммного автомата с операционным автоматом переходов и различными способами формирования кодов операций переходов. Цель работы – получение аналитических выражений для определения аппаратурных затрат в исследованных структурах микропрограммных автоматов в зависимости от параметров автомата при использовании элементного базиса программируемых логических интегральных схем. Метод. На основании результатов VHDL-моделирования получены экспериментальные значения аппаратурных затрат в типовых функциональных узлах цифровых устройств. В качестве единицы измерения аппаратурных затрат используются LUT-элементы, являющиеся регулярными структурными элементами ПЛИС типа FPGA. Среди типовых функциональных узлов исследованы комбинационная логическая схема, мультиплексор, схема арифметико-логической операции и регистр. Путем аппроксимации экспериментальных данных получены аналитические выражения для определения аппаратурных затрат в типовых функциональных узлах в зависимости от параметров узлов. Путем замены параметров типовых функциональных узлов параметрами структурных блоков исследованных структур микропрограммных автоматов выполнено преобразование аналитических выражений для определения аппаратурных затрат в типовых функциональных узлах в аналогичные выражения для отдельных структурных блоков автоматов. Результаты. Для каждой из исследованных структур микропрограммных автоматов получены аналитические выражения для определения суммарных аппаратурных затрат в логической схеме автомата. Выводы. Полученные аналитические выражения учитывают структурные особенности автоматов Мили и Мура и могут быть использованы для решения задачи определения области эффективного применения структур микропрограммного автомата с операционным автоматом переходов. UK: Актуальність. Вирішено задачу визначення апаратурних витрат в логічній схемі мікропрограмного автомата з канонічною структурою та мікропрограмного автомата з операційним автоматом переходів і різними способами формування кодів операцій переходів. Мета роботи – отримання аналітичних виразів для визначення апаратурних витрат у досліджуваних структурах мікропрограмних автоматів в залежності від параметрів автомата при використанні елементного базису програмувальних логічних інтегральних схем. Метод. На основі результатів VHDL-моделювання одержані експериментальні значення апаратурних витрат у типових функціональних вузлах цифрових пристроїв. У якості одиниці виміру апаратурних витрат використовуються LUT-елементи, що є регулярними структурними елементами ПЛІС типу FPGA. Серед типових функціональних вузлів досліджені комбінаційна логічна схема, мультиплексор, схема арифметико-логічної операції та регістр. Шляхом апроксимації експериментальних даних отримані аналітичні вирази для визначення апаратурних витрат в типових функціональних вузлах в залежності від параметрів вузлів. Шляхом заміни параметрів типових функціональних вузлів параметрами структурних блоків досліджених структур мікропрограмних автоматів виконано перетворення аналітичних виразів для визначення апаратурних витрат в типових функціональних вузлах в аналогічні вирази для окремих структурних блоків автоматів. Результати. Для кожної із досліджених структур мікропрограмних автоматів отримані аналітичні вирази для визначення сумарних апаратурних витрат в логічній схемі автомата. Висновки. Отримані аналітичні вирази враховують структурні особливості автоматів Мілі і Мура та можуть бути використані для вирішення задачі визначення області ефективного застосування структур мікропрограмного автомата з операційним автоматом переходів. EN: Contex. The problem of determining the hardware expenses in the logical circuit of a microprogram final-state machine with a canonical structure and a microprogram final-state machine with datapath of transition and various ways of generating of codes of transition operations was solved. Objective. The goal of the work is the obtaining of analytical expressions for determining the hardware expenses in the investigated structures of microprogram final-state machine depending on parameters of the automaton when using the elemental basis of programmable logical integrated circuits. Method. Based on results of HDL simulation, the experimental values of hardware expenses in typical functional blocks of digital devices are obtained. As a unit of measurement of hardware expenses, LUT elements, which are regular structural elements of the FPGA, are used. Among the typical functional blocks, a combinational logical circuit, a multiplexer, an arithmetic-logical operation circuit, and a register are investigated. By approximating the experimental data, analytical expressions for determining the hardware expenses in typical functional blocks, depending on the parameters of the blocks, are obtained. By replacing the parameters of typical functional blocks with parameters of the structural blocks of the microprogram final-state machines being researched, the analytical expressions to determine the hardware expenses in typical functional nodes are transformed in analogous expressions for separate structural blocks of automata. Results. For each of the researched structures of microprogram final-state machines, analytical expressions for determining the total hardware expenses in the logical circuit of the automaton are obtained. Conclusions. Received analytical expressions take into account the structural features of the Mealy and Moore automata and can be used to solve the problem of determining the field of effective application of the microprogram final-state machine structures with datapath of transitions.