Устройство для вычисления линейной свертки

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (1) 34 Я)5 006 Е 1 ОБ ЕТЕ ПИСА К АВТОРС 2 ехноло го инс циалиистем. о 1 Ц 11 опврмег,УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМИ ГКНТ СССР У СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Специальное конструкторскогическое бюро физико-механическ титута АН УССР(56) Клингман Э, Проектирование сп зированных микропроцессорных М.: Мир, 1985, с,216 - 217.Несу В,Ю., 1 Тт 1 е Я.О, Соп Совро 1 ег/1 ЕЕЕ Тгапзаст 1 оп оп Со с 29, 1 к)г 8, 1980, р.738-740. Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в автоматических и вычислительных устройствах для осуществления вычисления линейной свертки.Цель изобретения - повышение быстродействия и экономия оборудования за счет уменьшения количества циклов обращения к источнику операндов,На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема блока управления; на фиг.3 - схема цифровой линии задержки; на фиг.4 - схема одномерного цифрового фильтра (ЦФ): на фиг,5 - схема в-входового сумматора для в=6.Устройство содержит блок 1 управления, одномерные цифровые фильтры 2.1 - 2 в, цифровые линии задержки 3.1-3.(в), в-входовой сумматор 4, выход 5 тактового сйгнала последовательности операндов Х,(54) УстРойство для вычисления линеЙной сВеРтки(57) Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в автоматических и вычислительных устройствах для осуществления вычисления линейной свертки, Целью изобретения является повышение быстродействия и экономия оборудования за счет уменьшения количества циклов обращения к источнику операндов. Поставленная цель достигается путем введения в устройство в одномерных цифровых фильтров, в линий задержки, ввходового сумматора и блока управления, содержащего информацию об источнике операндов. 3 з,п. ф-лы, 5 ил. вход 6 последовательности операндов Х, вход 7 тактового сигнала последовательности операндов Н, вход 8 последовательности операндов Н, выход 9 запроса очередного операнда Х, выход 10.1 запроса начала последовательности операндов Х, адресный выход 10.2, выход 11 сброса в "0" и выход 12 готового результата вычислений,Блок 1 управления содержит задатчик размеров матриц операндов Х, выполненный в виде счетчиков 13 (на всчетных состояний), 14 (на ц+1 счетных состояний), 15 (на исчетных состояний), 16;на р+1 счетных состояний), схему ИЛИ 17. схему НЕ 18, схему ИЛИ 19, схемы НЕ 20 и 21 и схемы И 22 и 23.Каждая линия З,т задержки содержит схему НЕ 24, счетчик 25 (на з - -р л1 счетных состояний) и оперативное запоминающее устройство (СЭУ) 2 б. выход которого является выходом линли 1 лт; згдерккл.5 10 5 сумматоров 34.1-34.3, 35, 36 1-го, 2-го и сл 3-го ярусов соответственно и выход 12, яв- л ляющийся также выходом сумматора 36 и одновременно выходом устройства, теУстройство работает следующим обра б зом, сИзвестна формула для линейной дву- й мерной свертки са - 1 и - 1 цум = ,5, Ьцхз-,е-), (1) 20=о =огде Ьц, х-, ц - операнды Х и Н устройства.Внутренняя сумма в выражении (1) представляет собой одномерную линейную свеРткУ и длЯ ее вычислениЯ пРименЯютсЯ 25 в цифровые фильтры 2.1-2 лп. Для вычисления внешней суммы в выражении (1) применяется п-входовой сумматор 4, 3Для подготовки устройства к работе необходимо записать последовательность ко эффициентов - операндов Н, для этого на вход 8 необходимо подать последовательность операндов Н, сопровождаемых тактовыми сигналами на входе 7.Темп Работы УстРойства опРеделЯетсн 35 о тактовым сигналом на входе 5. После включения тактового сигнала на входе 5 устройство будет готово к работе только после того, как на выходе 10,1 появится сигнал запроса начала последовательности опе рандов Х (исключение составляет первый сигнал на выходе 10.1, появившийся после включения тактового сигнала на входе 5, его необходимо пропустить, так как устройство 2 может оказаться неготовым). 45По запросу начала последовательности операндов Х(выход 10.1) на входе 6 должен быть установлен первый операнд последовательности Х - хоо, После этого по запросу очередного операнда последовательности Х (выход 9) на вход 6 должны поступать очередные операнды последовательности Х: хо 1, хо 2хря. На выходе 12 устройства появляются элементы последовательно- с сти двумерной линейной свертки уоо, 55 д уо 1,".,ув+ц,мр-г, сопровождаемые такто- с вым сигналом на входе 5. Задержка во времени появления элемента уо 1 на выходе 12 Ф по отношению к моменту поступления опе- ц ранда хо 1 на вход 6 определяется суммар- и Каждый цифровой фильтр 2.1 - 2.гп содержит и регистров 27,1-27.п для операндов Х, и регистров 28,1 - 28.п для операндов Н, и умножителей 29,1-29.п, и-входовый сумматор 30 и выход сумматора 30, который служит выходом для одномерного цифрового фильтра,Сумматор 4 содержит гп входов, где в=6,11 регистров 31,1 - 31.6, 32.1 - 32.3, 33. - 33.2 1-го, 2-го и 3-го ярусов соответственно,ной задержкой на одном одномерном цифровом фильтре и гп-входовом сумматоре 4,Устройство работает в конвейерном режиме. По окончании свертки одной последовательности операндов Х устройство готово для вычисления свертки с другой последовательностью Х операндов, так что на выходе 12 после последнего элемента уп+-1,п+родной последовательности двумерной линейной свертки у сразу следует элемент уооедующей последовательности двумерной инейной свертки.После загрузки операндов последовальности Н первый цифровой фильтр 2.1 удет настроен на вычисление одномерной вертки с последовательностью операндов оо,йо 1,Ьоп, которая записана в его реги- трах 28,1-28.п. Соответственно второй ифровой фильтр 2,2 будет настроен на выисление свертки с последовательностью перандов й 1 о,й 11.йь и т,д., гп-й цифровой ильтр 2.пч - с Ьво, Ьв 1, .ЬвпПокажем, что, если в момент прихода ачала последовательности операндов Х во сех цифровых фильтрах регистры 27,1-27 ия последовательности Х операндов обнуены, во всех цифровых линиях задержки ,е записаны кули, в каждый такт на вход 6 стройства поступают операнды Х-матрицы = О х / )1=0,1 т+ц; )=01,п+р), коорая читается справа налево и сверху вниз, ричем в левом верхнем углу матрицы опеандов Хо располагается матрица операнов Х, а остальные элементы матриць, перандов Х - нули, то устройство будет ычислять элементы у последовательности вумерной линейной свертки. Действительо, пусть матрица операндов Х уже частичо считана, и на вход первого цифрового ильтра 2,1 поступает операнд Хд, в этот омент на вход второго цифрового фильтра .2 поступает операнд Х,д, третьего - 8-2 л и т,д., на Вход п 1-го цифрового цильтрал - Хз-в+1 лНумеруя цифровые Фильтры 2.1-2 п 1ислами 0,1гп, получим в соответствии (1) на выходе 1-го цифрового фильтра реультат линейной сверткии - 1Ьцхз-д=0,1 п 1-1).=оЭти числа суммируются на щ-входовом умматоре 4, в результате на выходе устройтва получаем результат: элементы послеовательности двумерной линейной вертки ум по формуле (1).Блок 1 управления предназначен дляормирования последовательности матриы операндов Х в результате дополнения оследовательности операндов матрицы Хческого нуля, свидетельствующий о запросе 55 первого элемента новой последовательности операндов Х,Таким образом, перед приходом первого элемента новой последовательности операндов Х во все цифровые линии задержки нулями. Счетчики 13 и 14 образуют счетчик столбцов матрицы операндов Х, счетчики 15 и 16 - счетчик строк матрицы операндов Х. Счетчик 14 имеет ц+1-счетное состояние. Сигнал логического нуля на выходе счетчика 14, который появляется при достижении ц+1-го состояния, через схему И 22 обеспечивает появление сигнала обнуления на выходе 11, а также прекращает прохождение через схему И 23 тактовых сигналов с входа 5 на выход 9 запроса очередного элемента.Кроме того, сигнал на выходе счетчика 14 подключен к входу разрешения счета счетчика 13, а через схему НЕ 18 - к входу разрешения счета счетчика 14. Поэтому при его появлении счетчик 14 останавливается, а счетчик 13, имеющий гпсчетных состояний, начинает счет и отсчитывает п 1-1 тактов, в течение которых на вход последовательности операндов Х первого цифрового фильтра 2.1 поступают нулевые элементы последних щстолбцов каждой строки матрицы операндов Х,При достижении счетчиком 13 щ-го состояния на его выходе появляется сигнал логического нуля, который передается на выход схемы ИЛИ 17, устанавливает одновременно счетчики 13 и 14 в исходное состояние и обеспечивает через схему НЕ. 21 появление положительного фронта сигнала на тактовом входе счетчиков 15 и 16, что обеспечивает переход на следующую строку,Аналогично работает счетчик строк матрицы операндов Х, образованный счетчиками 15 и 16, Счетчик 16 имеет Р+1 счетных состояний и отсчитывает первые р строк матрицы операндов Хо, При достиженииР+1-го состояния сигнал на выходе счетчика 16 через схему И 22 обеспечивает появление сигнала обнуления на выходе 11, а также прекращает прохождение через схему И 23 тактовыхсигналов с входа 5 на выход 9 запроса очередного операнда. При этом также счетчик 16 останавливается, а счетчик 15 начинает счет. Счетчик 15, имеющий исчетных состояний, отсчитывает пнулевых строк матрицы операндов Х, При установке счетчика 15 в и-е состояние, т.е, перед поступлением первого элемента последней строки матрицы операндов Хо, на выходе 10,1 запроса начала последовательности операндов Х появляется сигнал логи 51015 202530 3540 4550 3.1 - З,а) и во все пз цифровых фильтровбудут записаны нулевые элементы, что необходимо для нормальной работы устройства, а все счетчики блока 1 управления будутнаходиться в исходных состояниях,Состояния счетчиков 16 и 14 использованы для управления выборкой операндапоследовательноси Х; состояния счетчика16 (1,2р) соответствуют номеру строки, асостояния счетчика 14 (1,2 ц) - номерустолбца матрицы операндов Х, который должен в этот момент поступать на вход 6 последовательности операндов Х,Цифровая линия З,гп задержки, изображенная на фиг,З, работает следующим образом.В течение положительного полупериода тактового сигнала, который инвертируется схемой НЕ 24, происходит записьданных, установленных на входе ОЗУ. Поокончании положительного полупериодатактового сигнала значение счетчика 25 увеличивается на единицу и происходит чтениеданных из ОЗУ 26 по новому адресу, Поскольку счетчик 25 имеет з счетных состояний и выход счетчика соединен с входомустановки начального состояния счетчика,то за состоянием з следует первое состояние. Адрес данных ОЗУ 26 определяетсязначением счетчика, г озтому данные, записанные в ОЗУ 26, появятся на выходе с задержкой на з тактов,Каждый цифровой фильтр 2. -2,п работает так, как в прототипе,Сумматор 4 разбит на ярусы, На первомярусе а чисел на входе запоминаются в п 1регистрах 31.1 - 31,6 и попарно суммируютсяна сумматорах 34,1 - 34,3, результаты суммирования запоминаются в регистрах 32.132.2 второго яруса и снова попарносуммируются и т.д, На последнем 3-м ярусесуммируются два числа (на фиг.5 гп=б). Еслиже для какого-то числа не находится пары,то оно переносится в регистр следующегояруса без изменений, Для синхронизацииработы всех регистро, сумматора 4 их тактовые входы соединены с входом 5 тактового сигнала последовательности операндов Х.Формула изобретения1, Устройство для вычисления инейнойсвертки, содержащее двумерный цифровойфильтр, источник операндов и блок управления, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения быстродействия и экономииоборудования, блок управления содержитзадатчик размеров матриц, выполненный ввиде четырех счетчиков соответственно нащ, ц+1, ии р+1 счетных состояний, двесхемы И, две схемы ИЛИ и три с;ел 1 ы НЕ, 16813095 10 15 20 35 40 50 причем тактовый вход блока управления подсоединен к тактовым входам первого и второго счетчиков и первому входу первой схемы И, выход первого счетчика подсоединен к первому входу первой схемы ИЛИ, выход второго счетчика подсоединен к входу первой схемы НЕ, второму входу первой схемы ИЛИ, первому входу второй схемы И и входу разрешения счета первого счетчика, выход третьего счетчика подсоединен к первому входу второй схемы ИЛИ, выход четвертого счетчика подсоединен к входу второй схемы Н Е, второму входу второй схемы ИЛИ, второму входу второй схемы И и входу разрешения счета третьего счетчика, выход первой схемы ИЛИ подсоединен к входу третьей схемы НЕ и входамначальной установки первого и второго счетчиков, выход третьей схемы КЕ подсоединен к тактовым входам третьего и четвертого счетчиков, выход первой схемы НЕ подсоединен к входу разрешения счета второго счетчика, выход второй схемы НЕ подсоединен к входу разрешения счета четвертого счетчика, выход второй схемы ИЛИ подсоединен к входам начальной установки третьего и четверого счетчиков и является выходом запроса начала последовательности операндов Х блока управления, выход второй схемы И подсоединен к второму входу первой схемы И и является выходом обнуления, выход первой схемы И являешься выходом запроса очередного операнда последовательности Х, а адресные выходы второго и четвертого счетчиков являются выходами адресов операндов Х.2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что двумерный цифровой фильтр выполнен в виде одномерных в цифровых фильтров, щцифровых линий задержки на з=р+и+1 тактов, где Зс - количество тактов задержки последовательности Х в цифровых фильтрах, и а-входового сумматора, причем входом устройства для операндов Х является вход последовательности операндов Х первого цифрового цильтра, входом устройства для операндов Н является вход операндов последовательности Н е-го цифрового фильтра, все цифровые фильтры последовательно соединены между собой так, что выход последовательности операндов Х предыдущего цифрового фильтра подсоединен к входу последовательности операндов Х следующего цифрового фильтра через цифровую линию задержки, а выход последовательности операндов Н следующего цифрового фильтра подсоединен к входу последовательности операндов Н предыдущего цифрового фильтра, выход каждого цифрового фильтра, на котором появляется результат свертки, подсоединен к соответствующему входу гп-входового сумматора, выход а-входового сумматора является выходом устройства, вход тактового сигнала последовательностиоперандов Н подсоединен к входам тактового сигнала последовательности операндов Н всех цифровых фильтров, вход тактового сигнала последовательности операндов Х подсоединен к входу тактового сигнала последовательности операндов Х каждого цифрового фильтра, входу тактового сигнала каждой цифровой линии задержки, тактовому входу в-входового сумматора и тактовому входу блока управления, выход обнуления блока управления подсоединен к входу обнуления первого цифрового фильтра, выход запроса начала последовательности операндов Х, выход запроса очередного элемента последовательности операндов Х и адресные выходы второго и четвертого счетчиков блока управления подключены к источникам операндов устройства,3, Устройство поп.1, о тл и ч а ю ще ес я тем, что цифровая линия задержки содержит счетчик на р+и-1 счетных состояний, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и схему НЕ, причем тактовый вход цифровой линии задержки подсоединен к входу схемы НЕ, выход схемы НЕ подсоединен к тактовому входу счетчика и входу "Чтение-запись" ОЗУ, выход счетчика подсоединен к адресному входу ОЗУ, выход переноса счетчика подсоединен к входу начальной установки счетчика, вход цифровой линии задержки подсоединен к входу данных ОЗУ, выход данных ОЗУ является выходом цифровой линии задержки.4, Устройство по п.1, о т л и ч а юб.е ес я тем, что одномерный цифровой фильтр содержит и последовательно соединенных между собой регистров для последовательностей операндов Х и Н, входы первых регистров соединены с входами последовательностей операндов Х и Н цифрового фильтра соответственно, и умножителей, первые входы которых соединень с выходами соответствующих регистров последовательности операндов Х; а вторые входы соединены с выходами регистров последовательности операндов Н в обратном порядке, и-входовый сумматор, к входам которого подсоединены выходы умножителей, а выход соединен с выходом цифрового фильтра, дополнительно соединены с тактовым входом последовательности операндов Н цифрового фильтра - тактовые входы регистров последовательности операндов Н, с тактовым входом последовательности операндов Х цифрового фильтра - тактовые вхо 1681309 10ды регистров последовательности операндов Х и п-входового сумматора, с выходом последовательности операндов Н чифрового фильтра - выход последнего регистра последовательности операндов Н, с выходомпбследовательности операндов Х цифрово.го фильтра - выход последнего регистра последовательности операндов Х.1681309 Редактор А.Лежнина орректор М,Максимиш Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 3313 ВНИИПИ Г Составитель В.БелозТехред М,Моргентал Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4(5