Матричное вычислительное устройство

,1-и столбце,оследовательа Ленин нститутенина) видетельство ССГ 7/548, 1979.детельство СССР соответств 982 (прототи ыходами суммыв .-1)-й стрервый и втоычислительной1-м столбце с первым ми суммы вычисл -й строке и эт й и второй вхо тель выход в (хвторым ячейки е ды сл й яче е, пер о кажд вой ст т и вычислите аемо ки п оответоединен ым входамиэтой же в ляются вх ппь в рвый ычис нно,аждойней с к я соответственно в и второй группы вь ыходамиходов ма явля рво цыр о т л и ч а ю щ е о, с целью повыше я бысттем, чродейссуммыцы в твия,вычислит Е -й ро равно наи ины номер е и 3-м большем олбце е ому оследнего стол оло ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) 1. АвторскоеВ 913826, кл. С 062. Авторское свпо заявке Ф 330249кл, С 06 Р 7/548,(54) (57) МАТРИЧНОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕУСТРОЙСТВО, состоящее из матрицывычислительных ячеек, причем первыйи второй управляющие входы вычислительной ячейки в 1-й строке и 1-мстолбце (д = 1, 2, , и, 3 = 1,2п, где и - разрядность устройства) соединены соответственнос первым и вторым управляющими выходами вычислительной ячейки в этойже строке и -1)-м столбце, второйуправляющий вход каждой вычислительной ячейки в первом столбце соединен через инвертор с первым управляющим входом этой же вычислительной ячейки и является входом первой группы входов матрицы, первыйи второй входы переноса вычислительной ячейки в -й строке и )-м столбце соединены соответственно с первым и вторым выходами переноса вычислительной ячейки в этой же строке и (1 + 1)-м столбце, первый и торои входы переноса каждои вычисительной ячейки последнего столбца соединены соответс вым и вторым управляю этой же вычислительно вый и второй входы сл читаемого вычислитель ).-й строке и 1-м стол соответственно с втор выходами суммы вычислики в .-1)-й строке истолбце, первый и втогаемого-вычитаемого вячеек в -й строке иначиная с первого и пно до 1-го, соединеныно с вторым и первым ввычислительной ячейкике и первом столбце, ирой входы слагаемого вячейки в- й строке исоединены соответствен ственно с вторым и перслагаемого-вычитаемогочислительной ячейки идами второй и третьейдов матрицы соответстви второй выходы суммылительной ячейки после вой и второй выход льной ячейки матри1092497 це,+, 8,01 = - , в,с о где соединены соответственно с вторым и первым входами слагаемого-вычитаемого вычислительных ячеек в ( 1 +К)-й строке и ( Р +К+1 в )-м столбцеИ (к = 1, 2, 3, ,т, где п 2), а первый и второй входы слагаемоговычитаемого вычислительных ячеек 1Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в быстродействующих процессорах и специализированных вычислительных устройствах,Известны матричные вычислительные устройства, вычисляющие функциия 1 п 9 и соя Ч по методу "цифра зацифрой и состоящие из двух матриц,Алгоритм вычисления функций я 1 п Уи соя 9 по методу "цифра за цифрой" имеет видЭтап 1 р, д, , с .2-11Матричные вь 1 числительные устройства для вычисления функций япМ и соя состоят иэ двух матриц. Первая матрица вычислительных ячеек выполняет первый этап алгоритма и вырабатывает значения управляющих сигналов. Поэтому ее целесообраэно назвать управляющей.Вторая матрица вычислительных ячеек выполняет второй этап алгоритма, т.е, вычисляет значения х = соя 43и у = я 1 п, и ее целесообразно назвать вычисляющей. Управляющая и вычисляющая матрицы могут иметь в (9 +К)-й строке и,столбце, начиная с первого последовательно до(1 +К+-1)-го, соединены соответственно с вторым и первым выходами суммы вычислительной ячейки в -с -й строке и первом столб 2различные варианты исполнения, причем каждый вариант у множества управляющих матриц может быть объединен с одним из вариантов из множества матриц, вычисляющих в матричноевычислительное устройство Г 1 и 1.23.Недостатком этих устройств является их низкое быстродействие.Наиболее близким к изобретению потехнической сущности является матричное вычислительное устройство ь 2 1. Основным недостатком этого матричного вычислительного устройстваявляется малое быстродействие ее вычисляющей матрицы.Цель изобретения - повышениебыстродействия вычисляющей матрицыматричного вычислительного устройства,Поставленная цель достигаетсятем, что матричное вычислительноеустройство, состоящее из матрицывычислительных ячеек, причем первый и второй управляющие входы вычислительной ячейки в х-й строке и1-м столбце соединены соответственно с первым и вторым управляющимивыходами вычислительной ячейки вэтой же строке и (1 - 1)-м столбце,ЗО второй управляющий вход каждой вычислительной ячейки в первом столбце соединен через инвертор с первымуправляющим входом этой же вычислительной ячейки и является входомЗ 5 первой группы входов матрицы, первый и второй входы переноса вычислительной ячейки в -й строке и1-м столбце соединены соответственно с первым и вторым выходами перено 40 са вычислительной ячейки в этойже строке и (1+1)-м столбце, первыйи второй входы переноса каждой вычислительной ячейки последнего столб10924510 3ца соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами этой же вычислительной ячейки, первый и второй входы слагаемого-вычи" таемого вычислительной ячейки в 1-й строке и 3-м столбце соединены соответственно с вторым и первым выходами суммы вычислительной ячейки в (х)-й строке и (3-1+1)-м столбце, первый и второй входы слагаемого-вычитаемого вычислительных ячеек в 1-й строке и 3-м столбце, начиная с первого и последовательно до -го, соединены соответственно с вторым и первым выходами суммы вычислительной ячейки в (1-1)-й строке и первом столбце, первый и второй входы слагаемого вычислительной ячейки в -й строке и 3-м столбце соединены соответственно с первым и вторым выходами суммы вычислительной ячейки в (1- 1)-й строке и этом же столбце, первый и второй входы слагаемого каждой вычислительной ячейки первой строки соединены соответственно с вторым и первым входами слагаемого-вычитаемого этой же вычислительной ячейки и являются входами второй и третьей группы входов матрицы соответственно, пер 30 вый и второй выходы суммы каждой вычислительной ячейки последней строки являются соответственно выходами первой и второй группы выходов матрицы, в вычислительной матрице первый и второй выходы суммы вычислительной ячейки в-й строке и 7-м столбце, где Г равно наибольшему целому от половины номера последнего столбца, соединены соответственно40 с вторым и первым входами слагаемого-вычитаемого вычислительных ячеек в (Я +К)-й строке и (В+К+3-1)-м столбце, а первый и второй входы слагаемого-вычитаемого вычислительных ячеек в Я+К)-й строке и столбце, на 45 чиная с первого последовательно до Я+К+3-1)-го, соединены соответственно с вторым и первым выходами суммы вычислительной ячейки в-й строке и первом столбце.На фиг. 1 и 2 представлена структурная схема вычисляющей матрицы, на фиг; 3 - структурная схема одного иэ вариантов выполнения вычислительной ячейки вычисляющей матрицы.55Вычисляющая матрица (фиг. 1 и 2) содержит вычислительные ячейки 1, первую - третью группы входов 2, 3 97 4и 4, выходы 5 и 6, первую и вторую группы выходов 7 и 8.Согласно варианту исполнения вычислительная ячейка 1 содержит два сумматора 9 и 10 по модулю два, два сумматора 11 и 12, входы 13-20, выходы 21-26.Вход 14 вычислительной ячейки 1 в -й строке и первом столбце соединен череэ инвертор с входом 13 этой же вычислительной ячейки с входом группы входов 2 вычисляющей матрицы. Входы 17 и 18 каждой вычислительной ячейки первой строки соединены соответственно с входами 16 и 15 этой же вычислительной ячейки и соответственно с входами групп входов 3 и 4 вычисляющей матрицы, входы 13 и 14 вычислительной ячейки в д-й строке и 3-м столбце соединены соответственно с выходами 21 и 22 вычислительной ячейки в этой же строке и (3-1)-м столбце, входы 19 и 20 вычислительной ячейки в 1-й строке и 3-м столбце соединены соответственно с выходами 23 и 24 вычислительной ячейки в этой же строке и (3+ 1)-м столбце, входы 19 и 20 каждой вычислительной ячейки последнего столбца соединены соответственно с выходами 2 1 и 22 этой вычислительной ячейки, входы 15 и 16 вычислительной ячейки в 1-й строке (Х, 1 - наибольшее целое от половины номера последнего столбца) и 3-м столбце соединены соответственно с выходами 26 и 25 вычислительной ячейки в (1-1)-й строке в (3-1+1) - м столбце, входы 15 и 16 вычислительных ячеек в 1-й строке (11) и столбце, начиная с первого последовательно до -го, соединены соответственно с выходами 26 и 25 вычислительной ячейки в (-1)-й строке и первом столбце, входы 17 и 18 вычислительной ячейки в 1-й строке и 3-и столбце соединены соответственно с выходами 25 и 26 вычислительной ячейки в (1-1)-й строке и этом же столбце, выходы 25 и 26 вычислительной ячейки в 1 -й строке и 3-м столбце соединены соответственно с входами 16 и 15 вычислительных яче,ек в (В+К)-й строке и (Я+к+3-1)-и столбце, входы 15 и 16 вычислительных ячеек в (1+к)-й строке и столбце, начиная с первого последовательно до (1+к+3-1)-го, соединены соответственно с выходами 26 и 25 выальные условияо = О, где К - кации вектора, за д ( д и-и2 от числа шагов и)С -п)535 пЧ,ычислений у = яг 1 Результаты х= совВычисляющая второй этап алдующим образом На входы 17 атрица ыполняе работае сле 4 оритм 18 вычислительных 5 числительной ячейки в 0 -й строке и первом столбце, выходы 25 и 26 каждой вычислительной ячейки последней строки соединены соответственно с выходами 7 и 8 групп выходов вычисляющей матрицы.Вычисляющая матрица входит в состав матричного вычислительного устройства, вычисляющего элементарные функции ядп и сояпо методу 10цифра за цифрой".Рекуррентные соотношения, описывающие алгоритм "цифра за цифрой" для функций яп Ч и совЧ следующие: Этап 1 :В, -01 СФ 2сло шагов итерации, текущие координаты век ра;- конечные координаты ве ра. ячеек 1 первои строки матрицы подаются соответственно значения начальных условий у и х , на вход 14о оф 45 вычислительных ячеек 1 первого столбца подаются управляющие сигналы вырабатываемые управляющей матрицей матричного вычислительного устройства, Каждая строка вычислительных ячеек матрицы выполняет две опера 50 ции алгебраического суммирования.Как видно из алгоритма вычисления, на выходах 25 и 26 вычислительных ячеек 1.-й строки получаются соответственно значения яп и сов с точностью до 2 (1). Следовательно, на выходах 25 и 26 вычислительи Гных ячеек=1 -строки получают.Т ся значения в 1.пЧ исоя У с точностью до 2 , Таким образом, после 0-й итерации (на выходах Р-й строки) получаются первые 1 - правильные разряды значений вычисляемых функций, где первый разряд знаковый,Поэтому будет справедливо соотно- шение-(Е+Кгх +х р+ к+ куегде 6= - ,К = 1, 2,Исходя из этого, входы 15 и 16 вычислительной ячейки в 1-й строке (х ) Х) и 1-м столбце можно соединить соответственно с входами 15 и 16 вычислительной ячейки в 1 -й строке и Ц+1)-м столбце, а входы 15 и 16 вычислительных ячеек в -й строке (1Д ) и )-м столбце (11 ( ) соединить соответственно с выходами 26 и 25 вычислительной ячейки в 0 -й строке и первом столбце. С учетом того, что управляющие сигналы ,.1,., ,на вычисляющую матрицу прототипа приходят одновременно, временные затраты на вычисляющую матрицу сокращаются на величину где- время формирования суммы5одноразрядным двоичным сумматором;время формирования переноиса одноразрядным двоичнымсумматором;и - разрядность операндов,-1 г Очевидно, что временные затраты вычисления матричным вычислительным устройством, состоящим из данной вычисляющей матрицы и управляющей матрицы матричного вычислительного устройства2, сокращаются на величину Д , равнуюл+-(.е) -(иЬ пМатричное вычислительное устройство содержащее предлагаемую вычисляющую матрицу, эффективнее всего реализовывать в виде БИС. В настоящее время в СССР нет БИС, вычисляющих7функции зпЧи соз 1 . Поэтому в качестве базового объекта для определения эффективности изобретения взят СОИ)1 С. Арифметический процессор на кристалле (САР-кристалл), созданный фирмой ИОБС (Иача 1 Осеап Яузешз СепСге) САР-кристалл вычисляет функции вида зпР и созе по методу "цифра эа цифрой" (алгоритм Волдера).Время вычисления функций вида ззп У и соз 9 САР-кристаллом для двадцатичетырехраэрядных данных (и = 24) составляет величинуХсла= 23 (седа + "с) + 48 (г + + сс) = 71 есб+ 71где дВ - время сдвига на 1 разрядов вправо;- время суммирования двухдвадцатичетырехразрядных операторовМатричное вычислительное устройство, состоящее из управляющей матрицы устройства 1 2 3 и предлагаемой вычисляющей матрицы, вычисляет значения з 1 п и соя за время, равное 10924978Т,на = 206 п +. 135 з + 5 н++5 мГУгде 1 п - время формирования сигнала переноса одноразрядным 5 сумматором;- время формирования сигналасуммы одноразрядным сумматором;Сн- время инвертирования сиг О нала;С- время формирования суммы попо модулю два.Время Сс равно сс = 23 п + е.Значит Тс= 71 сдб+ 1633 и +71,Так как Т 0,5 , можно заключить, что САР-кристалл вычисляетзначения функций я 1 пЧ и сояР неменее чем в 4 раза медленнее матричного вычислительного устройства,состоящего из предлагаемой вычисляющей матрицы и управляющей матрицы устройства23.Эффективность изобретения заключается в существенном повышениискорости вычислений значений функций з 1 пЧ и созе"