Типичная организация модулей аппаратного обеспечения
В дальнейшем будем считать, что спецификация и тестирование моделей аппаратного обеспечения осуществляется на уровне отдельных модулей.
В типичном случае работа модуля аппаратного обеспечения управляется сигналом тактового импульса, который для краткости будем называть тактовым сигналом или просто часами. Фронты (или срезы) тактового сигнала разбивают непрерывное время на дискретный набор интервалов, называемых тактами. Поведение модуля на текущем такте определяется значениями входных сигналов и внутренним состоянием модуля. Как правило, часть входов модуля определяет операцию, которую модулю следует выполнить; такие входы будем называть управляющими (control). Другая часть входов определяет аргументы операции; такие входы будем называть информационными (informative). Среди операций, реализуемых модулем, обычно присутствует специальная операция NOP (no operation), означающая бездействие модуля.
Модули аппаратного обеспечения могут быть организованы разными способами. В соответствии с длительностью операций, выполняемых модулем, эти операции бывают однотактными и многотактными. По способу организации выполнения операций модули делятся на модули с поочередным выполнением операций, модули с конвейерным выполнением операций и модули с параллельным выполнением операций.
Рассмотрим, как осуществляется выполнение модулем однотактной операции. До начала очередного такта окружение устанавливает на соответствующих входах модуля код операции и аргументы. Выполнение операции начинается модулем с началом такта. За этот такт модуль производит необходимые вычисления, изменяет внутреннее состояние и устанавливает значения выходных сигналов, которые окружение может использовать, начиная со следующего такта (Рис. 1).
Рис. 1.Временнáя диаграмма сигналов для однотактной операции.
В отличие от однотактной операции, результат многотактной операции вычисляется постепенно, такт за тактом. Пусть операция f выполняется модулем за n тактов, тогда на каждом такте τ
{1, ..., n} модуль выполняет некоторую микрооперацию fτ, а окружение после окончания каждого такта получает некоторый частичный результат.
Представление многотактовой операции f в виде последовательности микроопераций (f1, …, fn) будем называть временнó й декомпозицией f. Теперь несколько слов о способах организации выполнения операций. В модулях с поочередным выполнением операций, как видно из названия, очередную операцию можно подавать на выполнение только после того, как полностью завершена предыдущая. В модулях с конвейерным выполнением операций операции можно подавать последовательно друг за другом, не дожидаясь завершения предыдущей операции. В модулях с параллельным выполнением операций несколько операций можно подавать одновременно. Модули с поочередным и конвейерным выполнением операций объединим общим термином - модули с последовательным выполнением операций, поскольку и в том, и в другом случае операции подаются на выполнение последовательно одна за другой. В дальнейшем будем считать, что модули организованы таким образом, что одновременно выполняемые операции не вступают в конфликты (hazards), то есть не влияют друг на друга. Если взаимное влияние все-таки возможно, требования должны описывать, как подавать операции на выполнение, чтобы избежать возникновения конфликтов.
