SU888132A1 - Конвейерное устройство дл вычислени элементарных функций - Google Patents

Description

Устройство относится к вычислительной технике и предназначено для использования в высокоскоростных вычислительных устройствах, обрабатывающих большие массивы данных.

Известное устройство для вычисления элементарных функций СП , содержащее семь сумматоров, три регистра числа, регистр аргумента, регистр остатка, два блока округления, тринадцать элементов И, два блока умножения, семь элементов ИЛИ, восемь блоков сравнения и четыре счетчика. Работа устройства выполняется в виде последовательности итераций, причем в каждой итерации выполняется несколько умножений.

Недостатком устройства является низкое быстродействие.

! Нанболэе близок к предлагаемому цифровой генератор функций [21, содержащий три блока памяти, многоразрядный комбинационный сумматор, блок умножения, два коммутатора, блок управления и четыре регистра»

У этого устройство тот же недостаток.

Целью изобретения является повышение быстродействия устройства для вычисления элементарных функций при об⁵ работке массивов данных.

Поставленная цель достигается тем, что в конвейерное устройство для вычисления элементарных функций, содержащее четыре регистра, первый блок умножения, первый сумматор и три блока памяти, причем выход первого регистра соединен с входом первого блока памяти, выход первого сумматора подключен ко входу второго регистра, выход которог!

¹⁵ го является выходом устройства, входы первого и третьего регистров соединены с входом устройства, введены одиннадцать регистров, второй блок умножения, второй сумматор и блок синхронизации, причем входы четвертого, пятого и шестого регистров соединены соответственно с выходами первого регистра, первого блока памяти и третьего регистра, входы ям 8 132 седьмого, восьмого, девятого и десятого регистров соединены соответственно с выходами четвертого регистра, второго блока памяти, первого блока умножения и шестого регистра, второго блока памяти, $ первого блока умножения и шестого регистра, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого регистра. Вход второго блока Ю памяти соединен с выходом четвертого регистра, входы одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого регистров соединены соответственно с выходами седьмого, десятого регистров и второго сум- 15 матора, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам восьмого и девятого регистров. Выход одиннадцатого регистра через третий блок памяти соединен с входом четыр- 20 надцатого регистра, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого через пятнадцатый регистр подключен к выходу второго блока умножения, первый и вто- 25 рой входы которого соединены соответственно с выходами двенадцатого и тринадцатого регистров, Выход блока синхронизации соединен с тактовыми входами всех регистров, первый вход блока ₃₀ синхронизации является входом величины массива устройства, а второй - входом запуска.

Блок синхронизации содержит счетчик массива, триггер, генератор импульсов _3J и элементы И и ИЛИ-HE, причем установочный вход счетчика массива соединен с первым входом блока синхронизации, выходы разрядов счетчика массива соединены с входами элемента ИЛИ—НЕ, вы— ход которого соединен с первым входом триггера, второй вкоц которого соединен со вторым входом блока синхронизации. Выход триггера подключен к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с вы— * 45 ходом генератора импульсов, выход элемента И соединен с выходом блока синхронизации и счетным входом счетчика массива.

Блок-схема устройства представлена на фиг, 1; блок-схема блока синхронизации - на фиг. 2.

Устройство содержит регистры 1 - 15, блоки 16 - 18 памяти, блоки 19 и 20 умножения, сумматоры 21 и 22, блок 55 2 3 синхронизации.

Блок 23 синхронизации содержит входы 24 и 2 5, выход 26, счетчик 27 мас сивов, элемент ИЛИ— НЕ 28, триггер 29, генератор 30 импульсов и элемент И 31.

.Устройство производит вычисление произвольной функции F(X), Ο·$Χ^1 по формуле Тейлора

Ε(Χ)~Γ·(Χο ⁺ ΔΧ) -Е (.Хо)+ΔΧ F¹ (Хо) + + ΔΧ²Γ(υ_ο)/2-ΠΧ_ο) + δΧ(Γ-'(Χο) + -+ AXF^f'(Xo) /2 )·

Здесь Х{5= О. X Х_КО...О - число образованное

ΔΧ=Ο.Ο...ΟΧ ...Х,К+4 . ^h старшими разрядами аргумента} число, образованное младшими разрядами аргумента.

Погрешность этой формулы можно сделать выходящей за пределы разрядной сетки за счет соответствующего выбора параметра К. Значения р(Х₀), Р’( Х_о) ,р( Х_о) /2 находятся табличным . преобразованием аргумента Xq,

Устройство работает следующим образом.

В первом такте в регистр 1 записывается число Xq, а в регистр 2 - число &Х. По значению Χθ, поступающему из регистра 1, в- блоке 16 формируется значение F (Х_о)/2, Во втором такте это значение записывается в регистр 4, в регистр 3 записывается значение Х₀из регистра 1, а в регистр 5 записывается значение Δ.Χ из регистра 2, По содержимому регистра 3 в блоке 17 формируется значениер¹ (Х_о). Одновременно на блоке умножения 19 поступает значение ώΧ из регистра 5 и умножается на содержимое регистра 4.

В третьем такте сформированное на блоке умножения выражение /2 записывается в регистр 8, а в регистр 7 записывается значение ρ'(Χθ) из блока 17, а в регистры 6 и 9 перезаписывается содержимое регистров 3 и 5 соответственно. По поступающим из регистров 7 и 8 значениям в сумматоре 21 формируется выражение ( Χθ) + δ XF(X_O) ^/2·

В четвертом такте это значение записывается в регистр 11, в регистры 10 и 12 переписываются значения регистров 6 и 9 соответственно, В блоке 18 по поступающему из регистра 10 значению Х_о формируется выражение Е (Хо)· Одновременно на блок умножения 20 поступает значение регистра 11, где умножает?888 1 32 ся на число ДХ, поступившее из регистра 12,

В пятом такте число, сформированное на блоке умножения 20, записывается в регистр 14, в регистр 13 записывается J значение с выхода блока 18. Содержимое этих регистров поступает на сумматор 22, в котором формируется выражение F (Х_о) + + Δ.Χ (F^f (Хо) + ДХГ’(Хо) /2), т.е. искомое значение фукцииГ(Х). ' *·

В шрсгом такте это значение записывается в регистр 15 и из него поступает на выход устройства.

Тактовые импульсы, поступающие на регистры устройства, вырабатываются в бло-¹⁵ ке синхронизации 23, который работает следующим образом. Перед началом обработки массива чисел и в счетчике массива 27 по входу 24 поступает число, равное длине массива. По сигналу Пуск, поступающему на триггер 29 по входу 25, этот триггер устанавливается в состояние 1, и сигнал с его выхода разрешает прохождение тактовых импульсов через э ж мент И 31 с генератора ^и импульсов 30. С выхода элемента И 31 тактовые импульсы поступают на регистры устройства с выхода 26, управляя записью информации в эти регистры. С поступлением каждого тактового импуль— ²⁰ са в устройстве происходит сдвиг информации на одну ступень вниз. Одновременно тактовые импульсы с элемента И 31 поступают на счетчик массива 27, и с поступлением каждого импульса из 35 содержимого счетчика вычитается единица. Как только содержимое счетчика станет равным нулю, т.е. массив чисел обработан, на выходе элемента ИЛИ-НЕ 28 появляется сигнал, сбрасывающий 40 триггер 29 в состояние О, а сигнал с выхода триггера запретит прохождение тактовых импульсов через элемент И 31 на регистры устройства.

Устройство работает по конвейерному 43 принципу. В каждом такте в него вводится новый операнд и с его выходов снимается новый результат. Быстродействие устройства при обработке массивов чисел определяется длительностью 50 такта, которая равна задержке в наиболее медленной ступени устройства. Такой ступенью в данном устройстве- является блок умножения. Поэтому быстродействие устройства равно Т= Ьудкц. 55

Быстродействие же прототипа не превышает

Т, ' 2 (Bbl Б,с ум,⁺ У ΛΛ НЕВИДНО, что при обработке массивов чисел предлагаемое устройство выгодно отличается от прототипа. По сравнению с прототипом быстродействие увеличено в

Τι _ 2 (£ выв +~(-сум +~Ьумн) _

Г ^умн бвыБ^-Ьсум ₊₂ Ьумн

Если использовать для построения данного устройства элементы 155 серии и обрабатывать на нем 16-разрядные числа, то ^СУМ ~^ВЫБ - ίθθ ^Ис · t у_мн ~ 2.00 НС и

Т, еоо нс

- —- - ^4

Т 200 нс

Claims (2)

1. I

   Устройство относитс  к вычислительной технике и преоназначеио ал  использовани  в высокоскоростных вычислительных устройствах, обрабатьшаюших большие массивы данных.

   Известное устройство ал  вычиегюни  элементарньк функций Cll содержащее семь сумматоров, три регистра числа , регистр аргумента, регистр остатка, два блока округлени , тринашать элементов И, два блока умножени , семь элементов ИЛИ, восемь блоков сравнени  и четыре счетчика. Работа устройства выполн етс  в виде последова.тельности итераций, причем в каждой итерации выполн етс  несколько умножений.

   Недостатком устройства,  вл етс  низкое быстродействие. I Наибоше близок к предлагаемому цифровой генератор функций , содержащий три блока пам ти, многоразр дный комбинационный сумматор, блок умножени , два коммутатора, блок управлени  и четыре регистра

   У этого устройство тот же недостаток .

   Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи  устройства дл  вычислени  элементарных функций при о&работке массивов данных.

   Поставленна  цель достигаетс  тем, что в конвейерное устройство дл  вычислени  элементарных функций, содержащее четыре регистра, первый блок ум10 ножени , первый сумматор и три блока пам ти, причем выход первого регистра соединен с входом первого блока naMsfти , выход первого сумматора подключен ко BXOCV второго регистра, выход которой

   15 го  вл етс  выходом устройства, входы первого и третьего регистров соединены с входом устройства, введены одиннадцать регистров, второй блок умножени , второй сумматор и ёлок синхронизации,

   20 причем входы четвертого, п того и шестого регистров соединены соответственно с выходами первого регистра, первого блока пам ти и третьего регистра, входы седьмого, восьмого, цев того и дас тм р регистров сиешшеиы соогвегсгвеино с вы ходами чегвергого регистра, второго блока пам ти, первого блока умножени  и ujecToro регистра, второго блока пам ти, первого блока умножени  и шестого регистра , выход которого соецинен с первым входом первого блока умножени , второй вход которого подключен к выхооу п того регистра. Вход второго блока пам ти соединен с выходом четвертого регистра, входы одиннадцатого, овенадцатого и тринадцатого регистров соединены соответственно с выходами седьмого , дес того регистров и второго сум матора, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам восьмого и дев того регистров. Выход одиннадцатого регистра через третий блок пам ти соединен с входом четы наоцатого регистра, выход которого соединен с первым входом первого сумматора , второй вход которого через п тнадцатый регистр подключен к выходу второго блока умножени , первый и второй входы которого соединены соотверственно с выходами двенадцатого и тринадцатого регистров. Выход блока синхронизации соединен с тактовыми входами всех регистров, первый вход блока синхронизации  вл етс  входом величины массива устройства, а второй - входом запуска. Блок синхронизации содержит счетчик массива, триггер, генератор импульсов и элементы И и ИЛИ-НЕ, причем установочный вход счетчика массива соедине с первым входом блока синхронизации, выходы разр дов счетчика массива соед нены с входами элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым входом триггера, второй вход которого соецинен вторым входом блока синхронизации. Вых триггера подключен к первому вкоду элем та И, второй вкоц которого соединен с вы ходом генератора импул1)Сов, выход элемента И соединен с выходом блока синхронизации и счетным входом счетчика массива. Блок-схема устройства представлена на фиг, IJ блок-схема блока синхронизации - на фиг, 2, Устройство содержит регистры 1-1 блоки 16 - 18 пам ти, блоки 19 и 20 умножени , сумматоры 21 и 22, блок 23 синхронизации. Блок 23 си({хрпнт зации содержит вхо ды 24 и 25, выход 26, счетчик 27 ма ивов, элемент (1Л11-1П; 2Н, тригг-ор 29, онервтор 30 импулт г.ов и влемент И 31, Устройство щэг)нзи)шгт вычисление роизвольной функции F(X), по ормуле Тейлора F()()F(XotДx)-F(Xo)- ЛXГ-(Уo) (Уо)(Хо) + лХ(Г-()о)+ -+&XF(Xo)/2). Здесь XjfO, Х.... ,,,0 - число образованное старшими разр дами аргумента, ,0,,,ОХ ,..Х.- число, обраК+Л зованное младшими разр дами аргумента . Погрешность этой формулы можно сделать выход щей за пределы разр дной сетки за счет соответствующего выбора параметра К, Значени  р(Хо), Р ( XQ) ,Р( Хр) /2 наход тс  табличньп , преобразованием аргумента Хо, Устройство работает следующим образом , В первом такте в регистр 1 записываетс  число XQ, а в регистр 2 - число &Х, По значению XQ, поступающему из регистра 1, в- блоке 16 формируетс  значение р, (Хо)/2. Во втором такте это значение записываетс  в регистр 4, в регистр 3 записываетс  значение регистра 1, а в регистр 5 записываетс  значение АХ из эегистра 2, По содержимому регистра 3 в блоке 17 формируетс  значениеР(ХО) Одновременно на блоке умножени  19 поступает значение ДХ из регистра 5 и умножаетс  на содержимое регистра 4, В третьем такте сформированное на блое умножени  выражение дХр(Х)/2 записываетс  в регистр 8, а в регистр 7 записываетс  значение р (Хо) из блока 17, а в регистры 6 и 9 перезаписываетс  содержимое регистров 3 и 5 соответственно. По поступающим из регистров 7 и 8 значени м в сумматоре 21 формируетс  выражение р (Хо) + Л X-F(XO) /2, В четвертом такте это значение записываетс  в регистр 11, в регистры Ю и 12 переписываютс  значени  регистров 6 и 9 соответственно, В блоке 18 по поступающему из регистра 10 значению Xо формируетс  выражение t (Хо). Одноврек )енно на блок умножени  20 поступает значение регистра 11, где умножаетес  нп числг)ЛХ, поступившее из регистра 12. В п том такте число, сформированное на блоке умножени  20, записываетс  в регистр 14, в регистр 13 записываетс  значение с выхода блока 18, Содержимо этих регистров поступает на сумматор 2 в котором формируетс  выражение F (Хо) + Л)(Р (Хо) + ПХо) /2), т.е. искомое чение фукциир{)(). В шрстом такте это значение записы етс  в регистр 15 и из него поступает на выxopVc тройства. Тактовые импульсы, поступающие на регистры устройства, вырабатываютс  в б ке синхронизации 23, который работает слерукицим образом. Перед началом об- работки массива чисел и в счетчике ма сийа 27 по входу 24 поступает число, равное длине массива. По сигналу Пус поступающему на триггер 29 по входу 25, этот триггер устанавливаетс  в состо ние 1, и сигнал с его выхода разрешает прохождение тактовых импуль сов через Э1юмент И 31 с генератора импульсов 30. С выхода элемента И 3 тактовые импульсы поступают на регист . ры устройства с выхода 26, управл   записью информации в эти регистры. С поступлением каждого тактового импуль са в устройстве происходит сдвиг информации на одну ступень вниз. Одновременно тактовые импульсы с элемента И 31 поступают на счетчик массива 27 и с поступлением каждого импульса из содержимого счетчика вычитаетс  единица . Как тогазКо содержимое счетчика станет равным нулю, т.е. массив чисел обработан, на выходе элемента ИЛИ-НЕ 28 по вл етс  сигнал, сбрасывающий триггер 29 в состо ние О, а сигнал с выхода триггера запретит прохождение тактовых импульсов через элемент И 31 на регистры устройства. Устройство работает по конвейерному принципу. В каждом такте в него вводитс  новый операнд и с его выходов снимаетс  новый результат. Бьгстродействие устройства при обработке массивов чисел определ етс  длительностью такта, котора  равна задержке в наиболее медленной ступени устройства. Такой ступенью в данном устройстве-  вл етс  блок умножени . Поэтому быстро действие устройства равно Т ЬудднБыстродействие же прототипа не превышает Т, 2 (С БЫБ,..) , что при обработке массивов чисел предлагаемоеустройство выгодно, отличаетс  от прототипа. По сравнению с прототипом быстродействие увеличено в Tj 2 (-fc вьш +Ьсу1У - -t-v/HH) Т -Ь, j-Bblg fccyM Если использовать дл  построени  данного устройства элементы 155 серии и обрабатывать на нем 16-разр дные числа, то CVM-- выБ --fooHc.-ty - 2ОО НС и 7 воо НС Т2ООНС изобретени  о р м у л а 1. Конвейерное устройство дл  вычислени  элементарных фукций, содержащее четыре регистра, первый блок умножени , первый сумматор и три блока пам ти, причем выход первого регистра соединен со входом первого блока пам ти, выход первого сумматора подключен ко входу второго регистра, выход которого  вл етс  выходом ус1 ройства, входы первого и третьего регистров соединены с входом устройства, от личающеес  тем, что, с целью повышени  быстродействи , в него введены одиннадцать регистров, второй блок умножени , второй сумматор и блок синхронизации, причем входы четвертого, п того и шестого регистров соединены соответственно с выходами первого регистра, первого блока пам ти и третьего регистра, выходы седьмого, восьмого, дев того и дес того регистров соединены соответственно с выходами четвертого регистра, второго блока пам ти , первого блока умножени  и шестого регистра, выход которого соединен с первым входом первого блока умножени , второй вход которого подключен к ыходу п того регистра, вход второго блока пам ти соединен с выходом чегt ертого регистра, входы одиннадцатого, двенадцатого и тринаЪдатого регистров оединены соответственно с выходами едьмого, дес того регистров и-второго умматора, первый и второй входы котоого подключены соответственно к выходам BOCbMdbo и дев того регистров, выод одиннадцатого регистра через третий лок пам ти соединен с входом четыр 8 надоатого регистра, выход которого соединен :с первым входом первого суммагора , второй вход которого через п тнадцатый регистр подключен к выходу второго блока умножени , первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами двенадцатого и тринаршатого регистров , выхор блока синхронизации соединен с тактовыми входами всех регис . ров, первый вход блока синхронизации  вл етс  входом величины массива устройства , а второй - входом запуска, 2, Устройство по п. I, от л и ч а ю щ е е с   тем, что блок синхронизации содержит счетчик массива, триггер, генератор импульсов и .элементы И и ИЛИ-НЕ причем установочный вход счетчика массива соединен с первым входом блока син 2 хронизации, выходы .разр дов счетчика массива соединены с входами элемента ИЛИ- НЕ , выход которого соединен с первым входом триггера, второй вход Которого соединен со вторым входом блока синхронизации , выход триггера подключен к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход элемента И соединен с выходом блока синхронизации и счетным входом счетчика массива. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР N 674032, кл. G06F 15/34, 1979.
2. 2.,За вка N 2415788, к . G06 F 1/02, 20.О4.77 (прототип).

   23

   //

   i

   /7

   15

   29

   Jff

   Фиг. I

   //