Конвейерное устройство для одновременного выполнения арифметических операций над множеством п-разрядных чисел

ПИСАН 3 ОБРЕТЕ Союз СоветскихОциалистическихУеснубве К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. 6 06 Г 7/38 осударствеиный комитет СССР но делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретен и уцкий г. Н.Д енко, Л.Н.Корчинск Заявитель й институтФалистической революци Киевский орденаим.50-летия Вели ина политехничес Октябрьской соц 4) КОНВЕЙЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ВЫПОЛНЕНИЯ АРИФМЕТИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НАД МНОЖЕСТВОМ и-РАЗРЯДНЫХ ЧИСЕЛ ройстна явствие.Целью ишение быстПост анл тре- элеггер,выходы таир со вхо тичног 1Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и, в частности, к области выполнения арифметических операций н многорегистроных арифметических устройствах, вы 5 полненных на узлах с большой степенью интеграции.Известно устройство, которое допускает одновременное выполнение арифметических операций над множеством пар операндов и обладает поэтому гораздо большей производительностью по сравнению с предыдущими (1. Однако при вычислении арифметических выражений, содержащих более двух операндов, произнодительность его снижается.Наиболее близким по технической сущности к данному изобреТению явля ется устройство, выполненное иэ однотипных блоков, каждый 1 -й (1=1+и) 20 блок содержит регистр частичного результата, регистр сомножителя,(п+6) входоной блок Формирования частичного результата, первый управляющий триггер, первый элемент И, первый триггер, шину тактовых импульсов, причемрегистра частичного реэультаегистра сомножителя соединены дами блока .Формирования часо результата, входы регистра сомножителя 1 -го блока соединены с выходами регистра сомножителя (1-1 го блока, а выходы первого управляющего триггера 1 -го блока подключены к соответствующим входам первого управляющего триггера (1+1)-го блока, единичный выход первого триггера подключен к управляющему входу блока Фор мирсвания частичного результата, шина тактовых импульсов соединена со входами регистра частичного результата, регистра сомножителя, первогб тригге" ра управления и первого триггера (2.Основным недостатком данного устляется низкое быстродейзобретеиия является повыродействия.енная цель достигается,тем, что н каждый 1 -ый блок введены дополнительно второй, третий, четвертый триггеры, шифратор, второй, тий, четвертый, пятый и шестой менты И, второй управляющий три причем единичные выходы второго, третьего и четвертого триггеров соецинены с управляющими входами блока Формирования частичного результата, нулевой выход второго управляющего григгера соединен с управляющим вхо ",дом шифратора, выходы (и+5) старшихразрядов 1-го блока формирования частичного результата подключены ко входам регистра частичного результата(1+1)-го блока и ко входам шифратора1-го блока, первый и второй выходыкоторого соединены соответственно со-" входамй установки в единичное и ну " левоесостояние первого триггера(1+1)-го блока и третьего триггера1-го блока, а третий и четвертый выходы шифратора 1-го блока соединены 10со входами установки в единичное инулевое состояние второго триггера(1+1)-го блока и четвертого триггера1-го блока, соответственно, единичныйвыход второго управляющего триггера 5соединен с (и+5)-м входом блока формирования частичного результата, аединичный -выход первого управляющеготриггера.соединен с первым входомвторого элемейта И, второй и третий"-взводы"которого соединены соответственно с единичным выходом четвертоготриггера (1+1)-го блока и "нулевым выходом четвертого триггера 1-го блока,единичный выход первого управЛяющего ;.триггера соединен со входом третьегоэлемента И, второй .и третий входы ко"торого соединенй соответственно с единичным выходом третьего триггера(1+1)-го блока" и нулевым вйходом третьего триггера 1-го блока, выход второго элемента И соединен со входамйустановкив единичное и нулевое сос-тояние, соответственно, третьеготриггера (1+1)-го блока и четвертоготриггера (1+1) -го блока и с первым 35входом первого элемента И, к другомувходу "которого подключен единичныйныход третьего триггера, а также спервым" входом четвертого элемента И,второй вход которого подключен к ну" 40левому"выходу третьего триггера, авыход.третьего элемента И соединен"софходами установки ведиййчйое инулевое состояние соответственйо четвертого триггера (1+1)-го блока и 45третьеготриггера (1+1)-го блокаи " " "с "первйм входом пятого элемента И,второй вход которого подключен к единичному выходу четвертого триггера,а также с первым входом шестого эле-мента И, второй вход которого подключен к нулевому выходу четвертоготриггера выходы двухвходовых схемпервого, четвертого, пятого и шестову,элементов И соединены соответстнен.ио со входом установки в нулевое состояние первого триггера (1+1)-го блока и третьего триггера 1-го блока,со- входом установки в единичное состояние второго триггера (1+1)-го бло"ка-и четвертого триггера 1-го блока, 60со входом установки в нулевое состояниевторого триггера (1+1)-го блокаи четвертого триггера 1-го блока и совходом установки в единичное состоя- " " йиЕ"первого триггера (1+1)-го блока у 5 4и третьего триггера 1-го блока, выходы второго управляющего триггера 1-го блока соединены со входами второго управляющего триггера (1+1) -го блока.На чертеже изображена функциональная схема 1-го и (1+1)-го блоков предлагаемого устройстна.Каждый 1-й блок устройства состо ит из первого управляющего триггера 11, первого триггера 21, второ.го триггера 31, третьего триггера 41, четвертого триггера 51, регистра частичного результата 61, регистра сомножителя 71, второго управляющего триггера 81, блока Формирования частичного результата 91, элементов И 101,111,121, шифратора 131, элементов И 141,151, 161,Устройство работает следующим обРазом,Первый операнд последовательности, представленный дополнительным модифицированным двоичным кодом, имеющим три знаковые разряда, принимается на регистр б, нарегистр 71 и триггер 1( с помощью устройства управления записывается код О, а на триггер 8(, также с помощью устройства управлЕйия, записывается код 1 ф, Во втором такте содержимое регистра б передается через блок 9 в регистр б; 1 сосдвигом на один разряд влево, со- держимое регистра 7( " в регистр 7;,1, содержимое триггеров 1; и 8; соответственно - в триггеры 1+1 и, 8;1.На регистры б и 7;, а также на триггеры 1 и 8; с помощью устройства управления записывается код фО, В результате передачи информации с первого блока на второй произойдут следующие преобразования: к содержимому регистра б, прибавится, или вычтется из него при помощи блока 9 содержимое регистра 7;, причем выполненная операция междусодержимым регистров 6; и 7 будет зависеть от управляющих входов блока 9(, связанных с триггерами 4 и 5;, кроме того, содержимое триггеров 4; и 5) может быть таким, что содержимое регистра 7; вообще не передастся на схему 9;. Одновременно с этим в зависимости от управляющих входов схемы 9.(, связанных с триггерами 2; и 3, произойдетаналогичная операция между содержимым триггера 8,причем код 1,записанный в триггере 8;, может вычесться или сложиться с содержимым (и+4) го разряда регистра б;схемой 13,", в Соответствии с табл,1, выделится старшая цифра очередного частичного результата, представляющая собой цифру избыточного квазиканонического кода с циФрами Х,О,1, и запишется, в соответствии с табл.1, в триггеры 2 и 3.662935 Значени пяти ра схемы 9 0 а 0 0 0 0 00100 10 0 01 10 10 0 0 0 0 101 11011 Е 0 1001 0Х Х0 10111 10110 ечани е П р Сложение содержимого регистра б с содержимым регистра 7; произойдет, если в триггерах 4; и 5; записан код 1; вычитание если в триггерах 4; и 5;. записан код-1 , содержимое регистра 7;не будет передано на схему 9;, если в триггерах 4 и 5 записан код0 . Сложение содержимого триггера 8 с содержимым п+4) .-го разряда регистра б произойдет в том случае, если в триггерах 2, и З.записан код -1) вычитанйе - если в триггерах 2; и 3 зав табл.1 не показаны некоторые возможные комбинации пяти старших разрядов схемы 9, ко торые будут свидетельствовать о переполнении разрядной сетки; с целью упрощения описани заявляемого устройства, эти ситуаций не рассматриваются,писан код ф 1; ра 8 не будет п если в триггерах код фОф. Таким чания второго так вертом триггерах же в первом и вто го блока окажется первого частичног знака первого час представленный в ионическом коде. няли еще только о содержимое триггеередан о на схему 9 , 2; и 3; записан образом, поцле оконта в третьем и четпервого блока, а так ром триггерах второкод старшей цифры о результата (код тичного результата), избыточном квазика(Поскольку мы придин операнд послеб 62935 Га блица 2. Содержимое треобразов Тг 5; г 4 мое триггеров реобразования г 3,О О О О довательности, то код, записанный ввышеупомянутые триггеры, будет предствалять собой значение старшего разряда первого операнда, представленногоизбыточным квазиканоническим кодом, .т.е. в результате прохода первого операнда через блоки устройства происходит перевод его в избыточный квазика. ионический код, причем значение А-гостаршего разряда первого операндаполучается в 1-м блоке и остается втретьем и четвертом триггерах 1-го 10блока, а также в первом и втором триггерах (1+1)-го блока;В третьем такте содержимое регистров и триггеров второго блока передается аналогично описанному выше на 15регистры и триггеры третьего блока,содержимое регистров и триггеров первого блока переписывается таким жеобразом на регистры и триггерй второго блока, а на регистры б и 7, атакже на триггер 8; с помощью устройства управления эайосится код О;в триггер 1 при этом такжес помощьюустройства"управления записываетсякод 1. После окончания третьеготакта в триггерах 4;и 5 ц, а также втриггерах 2; и 3;+, окажется кодвторого старшего разряда первого " операнда, представленного йзбйточным О О 01О1 ОО 1 0мПРи этом, если в тРиггеРах 4 е 5;, 4+1, 5 е.1 находится такаяже информация-, как в двух"первых строках табл,2, то бла 1 бдаря"йалйчию кода 1в триггере 1 откроется схема 50 .14; и связанные с ее выходами схемы 15; и 16. Это приведет к тому, чтосостояние триггеров 4, 52 р 1 3 у 4 р 5 еф2 е+2 и 3;, изменится в срответствии с первыми двумя строками табл.2. Вследствие этого произойдет преобразование кодов двух соседних цифр частичного результата вида ОТ и 11 соответственно в коды 11 и О 1, Если же в триггерах 4, 5, 4 н 1 и 5,1 находится такая же ин ОФормация, как в двух нижних строках табл,2, то благодаря наличию кода1 в триггере 1; , откроется схема 10; и связанные с ее выходами схемы 11 е и 12 е . Это приведет к 65( квазиканоническим кодом, а содержимое триггеров 4; и 5;, а также 21 и 3;+1 остается прежним, поскольку схема 13; заперта кодом О, записанным в триггере 8;. Б четвертом такте содержимое узлов третьего блока передается на узлы четвертого блока,содеркимое узлов второго блока - на узлы третьего блока, содержимое узлов первого блока - на узлы третьего блока, а на регистр 7; принимается второй операнд последойательности, представленный дополнительным модиФицированным кодом, имеющим три знаковых разряда, При этом на регистр б; и триггер 1; с помощью устройства управления заносится код О, а на триггер 8 также с по 4 ощью устройства управления записывается код 1. После окончания четвертого такта в триггерах 4+2,и 5;, а также триггерах 2;+ и 3, окажется код третьего старшего разряда первого операнда, представленного избьточным квазиканоническим кодом, а содержимое триггеров 2,и, 3 41 а Р 5 Фх Р 2+А3+1, 4 и 5, изменится в зависимости от содержимого триггеров 4, 5;, 4 е 1 и 5;1 в соответствии с табл,2,. О1 0тому, что состояние триггеров 4, 5 е г 2 Е г 3 Ф 14 Ф 1., 51+1, 2 е 2 и 3;изменится в соответствии с двумя вышеупомянутыми нижними строками табл.2 Вследствие этого произойдет преобразование кодов двух соседних циФр 1 астйчного результата вида 01 и 11 соответственно в коды 11 и 01. Описанные преобразования двух соседних циФр частичного результата приведут к тому,что в виду избыточности квази- канонического кода частичный результат будет преобразован в вид, допускающий умножение его на очередной операнд последовательности.Для того, чтобы возможно было выполнять операции умножения нац мно- л жеством чисел со старших разрядов, необходимо, чтобы частичный результат, представленный в избыточном кваэиканоническом коце, имел вид записи,.- 9 6629при которой как можно ближе влеворасположены -1, если число положительно, или 1, если число отрицательно,Описанная последовательность и 8трех тактов повторится для каждого изщ блоков для Я операндов. После подачи 1-го операнда (1+1)-ый операнд последовательности можно принимать навход устройства через два такта, причем последовательность из трех тактовдля 1-го операнда, где 3. ;2,3,4,. Ю2-1, 6, будет отличаться от последовательности из трех тактов дляпервого операнда тем, что этот операнд будет пРиниматься регистром 7,а в регистр 6; с помощью устройства )5управления будет заноситься код О,в отличие от первого операнда последовательности, который принимается нарегистр 6, а в регистр 7; заносится.код О.20Для формирования результата необходимо в регистр б и в триггеры 1;и8 с помощью устройства управлениязаписать код 0, а в регистр 7,подать код ОООО,0000.,001, В каждом следующем такте содержимое регист/ра 7 будет передаваться в регистр71 и, в зависимости от содержимоготриггеров 4 и 5,складываясь иливычитаясь с содержимым регистра б,через (и+5) тактов достигнет выходов: фрегистра сомножителя из конвейерногоустройства. При этом на выходах изконвейерного устройства, связанныхсо схемОй формирования частичногорезультата, окажутся знаковый и 35(и+4) старших разряда кода результата, переведенного в результате описанной операций из квазиканоническогоизбыточного кода в дополнительныйдвоичный код. 40Старшие (и+4) разряда произведенияД чисел могут .быть получены при помощи заявляемого устройства через(3 Ь-и+6) тактов, при этом в (3+2)-мтакте можно принимать новую последовательность чисел,С помощью предложенного устройства возможно выполнение умноженияи суммирования последовательности чисел, а также вычисления полинома:;Р (х) = а+ аХ + а,х+ а иК некоторых других операций, причемвыполнение операцйи суммирования 2чисел будет отличаться от операцииумножения 8 чисел тем, что каждый1-й операнд, где 1" ,2,3,4,.;. 2-1,2,Жнеобходимо принимать на регистр 61,а в регистр 71 с помощью устройствауправления записывается кодфф 001,00000 ф, При этом частичныйрезультат при выполнении операции 60сложения можно не преобразовывать,а это значит, что после подачи 1-гооперайда в следующем такте можнопринимать для суммирования (1+1)-йоперанд последовательности и, сле 35 10довательно, (и+4) старшие разрядасуммы 6 и-разрядных чисел могут бытьаолучены за (О+и+6) тактов.,Вычисление указанного полинома отличаетсяот операци умножения 6 чисел, при,условии,что К=8-1 тем, что, начи-"ная со второй последовательности изтрех тактов, на регистр 6 будетзаноситься не код О, а кода;ф, при этом на регистр 71 будетзаноситься код Х,В следующем такте, после подачитакта формирования результата, можнопринимать новую последовательностьчисел. Следовательно, основное преимущество конвейерного метода обработки информации, заключающееся вэффективном использовании аппаратурымногорегистровых устройств, в данном.случае сохраняется.Таким образом, предлагаемое устройство, вычисляя одно и то же арифметическое выражение за гораздо меньшее количество тактов, чем устройство, выбранное в качестве прототипа, обладает значительно большей по сравнению с ним производительностью. При этом оно может состоять из гораздо меньшего количества однотипных блоков. Кроме того, вследствие применения в заявляемом устройстве схемы перемножения чисел в дополнительйых кодах отпадает необходимость втом, чтобы все операнды выражения, подлежащего вычислению, были обязательно положительными. дробями, что имеет место при вычислении этоговыражения при помощи известного устройства.Формула изобретенияконвейерное устройство для одновременного выполнения арифметических операций над множеством и-разрядных чисел, выполненное из однотипных блоковф каждый 1-й (1=1-,и) блок содержит регистр частичного результата, регистр сомножителя,(п+б) входовой блок формирования частичного результата, первый управляющий триггер, первый элемент И, первый триггер, шину тактовых импульсов, причем выходы регист. ра частичного результата и регистра сомножвтеия соединены со входами блока Формирования. частичного резуль- тата, входы регистра сомножителя 1-го блокасоединены с выходами регистра сомножителя (з.-1)-го блока, а выходы первого управляющего триггера 1-го блока подключены к соответствующим входам первого управляющего триггера (1+1)-го блока, единичный выход первого триГгера йодключен к управляющему входу блока Формирования частичного результата, шйна тактовых импульсов соединена со входами регистра662935 12 11частичного результата, регистра сомножителя, первого триггера управления и первого триггера, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в каждый 1-й блок введены дополнительно второй, третий и четвертый триггеры, шифратор, вто- б рой, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И, второй управляющий триггер, причем единичные выходы второго, третьего и четвертого триггеров соединены с управляющими входавщ бло ка Формирования частичного результата;,. нулевой выходвторого управляющего триггера соединен с управляющим входом шифратора, выходы (и+5) старших разрядов 1-го блоха Формирования час- ц тичного результата подключены ко входам регистра частичного результата . (1+1);го блока и ко входам шифратора 1-го блока, первый и второй выходи которого соединены соответствеййо со входами установки в единичное и нулевое состояние первого триггера (1+1)-го блокаи третьего триггера 1-го блока, а третий и четвертый выходы шифратора 1-го блока соединены со входами установки в единичное и ф 5 нулевоесостояние второго триггера (х+1) -го блока и четвертого триггера 1-го блока соответственно, единичный чыход второго управляющего триггера соединен с (и+5)-м входом блока формирования частичного результата, аединичный выход первого управляющего триггера соединен с первым входом второго элемента И, второй и третий входы которого соединены соответст- М венно"с единичным выходом четвертого триггера (1+1)-го блока и нелувым выходом четвертого триггера 1-го блока, единичный выход первого управляющего триггера соединен со входом 40 третьего элемента И, второй и третий входы которого соединены соответствен" но с. единичным выходом третьего триггера (1+1)-го блока и нулевым выходом третьего триггера 1-го блока, выход 45 второго элемента И соединен со входами установки в единичное и нулевоесостояние, соответственно, третьеготриггера ( 1+1 ) -го блока и четвертоготриггера (1+1)-го блока и с первымвходом первого элемента И, к другомувходу которого подключен единичныйвыход третьего триггера, а также спервым входом четвертого элемента И,второй вход которого подключен к нулевому выходу третьего триггера, авыход третьего элемента И соединенсо входами установки в единичное инулевое состояние, соответственночетвертого триггера (1+1)-го блокаи третьего триггера (1+1)-го блокаи с первым входом пятого элемента И,второй вход которого подключен к единичному выходу четвертого триггера,а также с первым входом шестого элемента И, второй вход которого подключен к нулевому выходу четвертоготриггера, выходы двухвходовых схемпервого, четвертого, пятого и шестого элементов И соединены соответственно со входом установкив нулевое состояние первого триггера (1+1)-го блока и третьего триггера 1-го блока,со входом установки в единичное состояние второго триггера (1+1)-го блока и четвертОго триггера 1-го блока,со входом установки в нулевое состояние второго триггера (1+1)-го блокаи четвертого триггера 1-го блока исо входом установки в единичное состояние первого триггера (1+1)-го блока итретьего триггера 1-го блока,выходи второго управляющего триггера1-го блока соединены со входами второго управляющего триггера (1+1)-гоблока.Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1. Самофалов К.Г. и др. СтруктурыЭЦВМ четвертого поколения, М., Техникаф, с.89.248,2, Авторское свидетельство СССР9 479111, кл 6 06 Г 7/52, 1974.бб 2935 Составитель А.уткинРедактор Н.Веселкина Техред Э.Чужик КорректорА, Гриценк илиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4 аз 2701/50 Тир ЦНИИПИ Государств по делам изобре 113035, Москва, Жж 779. Подписнонного комитета СССРений и открытийРаушская наб д.4/5