Разработка средства функционального диагностирования вычислительных устройств

Введение



В данной курсовой работе выполняется проектирование блоков устройства контроля по модулю три матричного умножителя с сокращением вычислений для обработки мантисс чисел с плавающей точкой. Арифметическая операция выполняется с сохранением одинаковой разрядности для операндов и результатов. Операции с плавающей точкой содержат умножение, удваивающее разрядность полного результата. Поэтому при обработке мантисс по n-разрядным операндам вычисляется округленный n-разрядный результат, т.е. Имеет место потеря n младших разрядов полного 2n-разрядного результата.

Использование сокращенных методов выполнения операций позволяет вдвое или почти вдвое снизить затраты оборудования и времени на выполнение операции.

Методы функционального диагностирования обеспечивают достоверность функционирования вычислительных устройств. Основным методом функционального диагностирования вычислительных устройств является контроль по модулю. Он обладает высокой обнаруживающей способностью и простотой реализации для полноразрядных вычислительных устройств. Функциональное диагностирование современных вычислительных устройств требует умения выполнять контроль по модулю производительных вычислительных устройств с плавающей точкой. Поэтому в курсовой работе затрагивается этот вопрос.






1. Определение варианта задания



Вариант задания определяется по номеру Z = 104, который был выдан преподавателем. Курсовая работа является комплексной – номер варианта выдается двум студентам. Я выполняю первую часть работы – разрабатываю блоки контроля вычисления контрольных кодов КА и КВ.

По номеру Z определяются параметры:

X = Z mod 9 = 10 mod 9 = 1,

Y = Z mod 4 = 10 mod 4 = 2.

По параметру X определяется шаг изменения размеров образующих фрагмента:

X mod 3 = 5 mod 3 = 2 – остаток и 1 – частное, т.е. шаг для верхнего фрагмента равен 2, а для нижнего фрагмента – 4.

Параметр Y определяет сомножители, по которым образующие верхних и нижних фрагментов меняют свой размер. Для Y равного 2, верхнее и нижнее разбиения задаются по операнду В.

Вариант задается видом разбиения матрицы конъюнкций прозведения на фрагменты (МКП).






2. Разбиение МКП на фрагменты





Разбиение МКП на фрагменты представлено на рис. 1.



Фрагменты разбиения:

V1 = – A{6}*B{36}*2-42

V2 = – A {7,8}*B {35,36}*2-44

V3 = – A{8}*B{34}*2-42

V4 = – A {9:12}*B {33:36}*2-48

V5 = – A{10}*B{32}*2-42

V6 = – A {11,12}*B {31,32}*2-44

V7 = – A{12}*B{30}*2-42

V8 = – A {13:16}*B {29:36}*2-52

V9 = – A{14}*B{28}*2-42

V10 = – A {15,16}*B {27,28}*2-44

V11 = – A{16}*B{26}*2-42

V12 = – A {17:20}*B {25:36}*2-56

V13 = – A{18}*B{24}*2-42

V14 = – A {19,20}*B {23,24}*2-44

V15 = – A{20}*B{22}*2-42

V16 = – A {21:36}*B {21:36}*2-72

V17 = – A{22}*B{20}*2-42

V18 = – A {23,24}*B {19,20}*2-44

V19 = – A{24}*B{18}*2-42

V20 = – A {25,26}*B {17:20}*2-46

V21 = – A{26}*B{16}*2-42

V22 = – A {27,28}*B {15:20}*2-48

V23 = – A{28}*B{14}*2-42

V24 = – A {29,30}*B {13:20}*2-50

V25 = – A{30}*B{12}*2-42

V26 = – A {31,32}*B {11:20}*2-52

V27 = – A{32}*B{10}*2-42

V28 = – A {33,34}*B {9:20}*2-54

V29 = – A{34}*B{8}*2-42

V30 = – A {35,36}*B {7:20}*2-56

V31 = – A{36}*B{6}*2-42

V32 = – A {1:36}*B {1:36}*2-72



3. Формирование контрольных кодов КАi и КВi



Составляемые контрольные коды (их длина не превышает L = 2, так как M = 3):

	1) KA1 = A{6}*2-6 = A{6}

KA2 = A {7,8}*2-8 = A {7,8}

KA3 = A{8}

KA5 = A{10}

KA6 = A {11,12}

KA7 = A{12}

KA9 = A{14}

KA10 = A {15,16}

KA11 = A{16}

KA13 = A{18}

KA14 = A {19,20}

KA15 = A{20}

KA17 = A{22}

KA18 = A {23,24}

KA19 = A{24}

КА20 = A {25,26}

KA21 = A{26}

KA22 = A {27,28}

KA23 = A{28}

КА24 = A {29,30}

KA25 = A{30}

KA26 = A {31,32}

KA27 = A{32}

КА28 = A {33,34}

KA29 = A{34}

KA30 = A {35,36}

KA31 = A{36}

2) KB1 = B{36}*2-36 = B{36}

KB2 = B {35,36}*2-36 = B {35,36}

KB3 = B{34}

KB5 = B{32}

KB6 = B {31,32}

KB7 = B{30}

KB9 = B{28}

KB10 = B {27,28}

KB11 = B{26}

KB13 = B{24}

KB14 = B {23,24}

KB15 = B{22}

KB17 = B{20}

KB18 = B {19,20}

KB19 = B{18}

KB21 = B{16}

KB23 = B{14}

KB25 = B{12}

KB27 = B{10}

KB29 = B{8}

KB31 = B{6}

Вычисляемые контрольные коды (формируются при длине частей операндов превышающей L):

KA4 = (KA6 + A{9}*2-9 + A{10}*2-10) mod 3 = (KA6 – A{9} +A{10}) mod 3

KA8 = (KA10 – A{13} + A{14}) mod 3

KA12 = (KA14 – A{17} + A{18}) mod 3

KA16 = (KA18 + KA20 + KA22 + KA24 + KA26 + KA28 + KA30 – A{21} + A{22}) mod 3

KA32 = (KA16 + KA12 + KA8 + KA4 – A {1,3,5,7} + A {2,4,6,8}) mod 3

KB4 = (B{34}*2-34 +B{33}*2-33 + KB2) mod 3 = (KB2 + B{34} – B{33}) mod 3

KB8 = (B{30} – B{29} + KB4 + KB6) mod 3

KB12 = (B{26} – B{25} + KB8 + KB10) mod 3

KB16 = (B{22} – B{21} + KB12 + KB14) mod 3

KB20 = (B{18} – B{17} + KB18) mod 3

KB22 = (B{16} – B{15} + KB20) mod 3

KB24 = (B{14} – B{13} + KB22) mod 3

KB26 = (B{12} – B{11} + KB24) mod 3

KB28 = (B{10} – B{9} + KB26) mod 3

KB30 = (B{8} – B{7} + KB28) mod 3

KB32 = (B {2,4,6} – B {1,3,5} + KB30 + KB16) mod 3


Блоки контроля операндов



На сумматорах по модулю три выполняется свертка операндов А и В с формированием вычисляемых контрольных кодов КАi и КBi. Последние вычисляемые контрольные коды КА32 и КB32 являются результатами свертки. Они сравниваются на сумматоре по модулю три с входными контрольными кодами КА операнда А и КВ операнда В соответственно. Для этого входной контрольный код подключен инверсно: первый разряд – к входу с весом 2, а второй разряд – к входу с весом 1. На первом прямом и инверсном втором выходах сумматора по модулю три формируется код контроля ККА операнда А (ККВ операнда В).

Блок контроля вычисления контрольных кодов КAi

Для рассматриваемого разбиения МКП блок контроля БКА с прямым порядком вычисления контрольных кодов КAi представлен в приложении 1.

Блок контроля вычисления контрольных кодов КBi

Для рассматриваемого разбиения МКП блок контроля БКБ с прямым порядком вычисления контрольных кодов КВi представлен в приложении 2.



Описание блоков устройства контроля



Схемы блоков устройства контроля описываются прямым списком, который оформляется с использованием таблиц.

Для каждого элемента заполняется отдельная таблица. Столбец таблицы содержит описание соединений входов и выходов одного элемента. Входами элемента являются входы устройства контроля или выходы других элементов.

Описание схемы блока контроля БКА приведено в табл. 1.




Таблица 1



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Вх1

1

5

9

13

17

21

25

29

33

118

122

126

128

132

136

Вх2

2

6

10

14

18

22

26

30

34

119

123

127

129

133

137

Вх1

3

7

11

15

19

23

27

31

35

120

124

0

130

134

138

Вх2

4

8

12

16

20

24

28

32

36

121

125

0

131

135

139

Вых1

118

120

122

124

126

128

130

132

134

136

138

140

142

144

146

Вых2

119

121

123

125

127

129

131

133

135

137

139

141

143

145

147



Таблица 1 продолжение



16

17

18

19

20

21

Вх1

140

142

146

150

152

38

Вх2

141

143

147

151

153

37

Вх1

0

144

148

0

154

157

Вх2

0

145

149

0

155

158

Вых1

148

150

152

153

156

159

Вых2

149

151

153

154

157

160



Описание схемы блока контроля БКБ приведено в табл. 2.



Таблица 2



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Вх1

39

43

55

59

63

67

71

161

165

171

177

169

177

167

185

Вх2

40

44

56

60

64

68

72

162

166

172

178

170

178

168

186

Вх1

41

0

57

61

65

69

73

163

53

173

51

179

49

183

47

Вх2

42

0

58

62

66

70

74

164

54

174

52

180

50

184

48

Вых1

161

163

165

167

169

171

173

175

177

179

181

183

185

187

189

Вых2

162

164

166

168

170

172

174

176

178

180

182

184

186

188

190



Таблица 2 продолжение



16

17

18

19

Вх1

175

189

191

76

Вх2

176

190

192

75

Вх1

187

45

193

195

Вх2

188

46

197

196

Вых1

191

193

195

197

Вых2

192

194

196

198


6. Алгоритмы получения описаний



Процедуры получения описаний схем блоков устройства контроля формализованы в виде алгоритмов составления таблиц.

Таблицы представляются двухмерными массивами данных.

Для разработки алгоритмов были выполнены:

Обобщение содержания таблиц, с помощью выделения среди ее чисел ключевых данных и выражения их через параметры n, k;

Определение закономерностей изменения чисел в столбцах и строках таблицы.

Алгоритм, описывающий табл. 1., представлен в приложении 3.

Блок 2 описывает ввод данных:

n – разрядность МКП;

k – количество отбрасываемых разрядов.

В блоке 3,4 и 5 представлены ключевые данные:

d1 = первое значение в таблице 1, которое соответствует разрядности МКП;

d2 = 4*n – k + 5 – номер выхода первого сумматора по модулю три в схеме.

d3 = n/2+3 – количество столбцов в таблице 1.

L = n – k – Количество разрядов в усеченном результате.

as1 = (n/4 +n % 2) – Количество сумматоров в первом ряду.

as2 = as1 + L – Количество сумматоров во втором ряду.

as3 = (as2+as2% 2) /2 – Количество сумматоров в третьем ряду.

as4 = (as3+as3% 2) /2 – Количество сумматоров в четвертом ряду.

Блоки 10,6 определяет данные последнего столбца элементоа первого ряда табл. 1.

В блоках 7 – 9 задан цикл по столбцам, начиная со второго и заканчивая последним столбцом. В цикле определяют данные последних двух строк таблицы. Номер выхода в строке увеличивается на 2 для каждого последующего столбца.

В блоках 11 – 15 заданы циклы по строкам 1: 4 и по столбцам 1: as1. В цикле определяются входы сумматоров по модулю три, определяющих вычисляемые контрольные коды.

Блок 16,17 определяет данные первого столбца элементоа первого ряда табл. 1.

Блок 18,19,23 – подпрограмма заполняющая массив х. В подпрограмму передаем следующие параметры imin, imax, iinc, jmin, jmax, jinc,

В блоке 20–22, задаются номера входов разрядов контрольного кода КА16 {1,2}, а также номер выхода первого в таблице сумматора по модулю три, который подается на вход следующего сумматора.

В блоке 27–29, задаются номера входов разрядов контрольного кода КА12 {1,2}, а также номер выхода первого в таблице сумматора по модулю три, который подается на вход следующего сумматора.

В блоке 24–26, заполним столбцы таблицы, первый столбец в четвертом ряду

В блоке 30, задаются номера входов разрядов контрольного кода КА32 {1,2}, а также номер выхода первого в таблице сумматора по модулю три, который подается на вход следующего сумматора.

Блок 31 вычитаем из свернутого операнда А его ККА, получаем признак корректности результата.

В блоке 32 производится вывод данных.

Алгоритм, описывающий табл. 2., представлен в приложении 3.

Блок 2 описывает ввод данных:

n – разрядность МКП;

k – количество отбрасываемых разрядов.

В блоке 3 представлены ключевые данные:

d1 = (n-k)* 2 – первое значение в таблице 1;

d2 = 8*n – 5*k -3 – номер выхода первого сумматора в таблице. 2.

d3 = n – k – 3 – количество столбцов в таблице 2.

as1 = n/4–2 – Количество сумматоров в первом ряду.

Tail, head – переменые(указатели) хранят номер опорного и «заполняемого» элемента

Блоки 56,62 определяют данные первого столбца таблицы 2.

В блоках 63 – 65 задан цикл по столбцам, начиная со второго и заканчивая последним столбцом. В цикле определяют данные последних двух строк таблицы, а также первых двух строк. Номер выхода в строке увеличивается на 2 для каждого последующего столбца.

В блоках 57 – 61 заданы циклы по строкам 1: 4 и по столбцам 1: as1. В цикле определяются входы сумматоров по модулю три, определяющих вычисляемые контрольные коды.

В блоках 66 – 68 заполняются первый два столбца таблицы.

Заполнением данными столбцы 9,11,13,15,17; 10,12,14,16.

Установим указатели tail и head, на опорный элемент, тот элемент откуда берутся данные, и тот, который заполняется.

В блоках 72 – 76 заполним данными 10,12,14,16 элементы. Инициализируем tail, head, затем вызываем подпрограмму, увеличиваем tail, head. В цикле определяются входы сумматоров по модулю три, определяющих вычисляемые контрольные коды. Определим КВ22, КВ24, КВ26, КВ28, КВ30.

В блоках 77 – 85 заполним 11,13,15,17 данными элементы. В цикле вызываем подпрограмму, увеличиваем tail, head. Определим КВ4, КВ8, КВ12, КВ16.

В блоке 86–88, задаются номера входов разрядов контрольного кода КВ32 {1,2}, а также номер выхода первого в таблице сумматора по модулю три, который подается на вход следующего сумматора.

Блок 89–91 вычитаем из свернутого операнда А его ККА, получаем признак корректности результата

В блоке 92 производится вывод данных.


7. Листинг программы, реализующей алгоритмы



Текст программы, реализующей описание схемы блока контроля БКА.БКв

void __fastcall TForm1: Button1Click (TObject *Sender)

{

int d3b, d3a;

n = StrToInt (Edit1->Text);

k = StrToInt (Edit2->Text);

d3a = n/2 + 3;

d3b = (n – n % 2)/2;

StringGrid1->ColCount = d3a;

StringGrid2->ColCount = d3b;

for (int i=1; i<StringGrid1->ColCount; i++)

StringGrid1->Cells[i] [0]=i;

for (int i=1; i<StringGrid2->ColCount; i++)

StringGrid2->Cells[i] [0]=i;

String stroca1 [7]={«», «Âõ1», «Âõ2», «Âõ3», «Âõ4», «Âûõ1», «Âûõ2»};

for (int i=0; i<=7; i++)

{

StringGrid1->Cells[0] [i]=stroca1 [i].c_str();

StringGrid2->Cells[0] [i]=stroca1 [i].c_str();

}

StrGr1 ();

StrGr2 ();

}

 // –

void __fastcall TForm1: Cycle (TStringGrid *tab, int imin, int imax, int iinc, int jmin, int jmax, int jinc)

{

for (int i=imin; i<imax; i=i+iinc) {

for (int j = jmin; j<jmax; j=j+jinc) {

if (n % 2 == 1) {

tab->Cells[i] [1] = tab->Cells [j-1] [6];

tab->Cells[i] [2] = tab->Cells [j-1] [5];

tab->Cells[i] [3] = tab->Cells[j] [6];

tab->Cells[i] [4] = tab->Cells[j] [5];

}

else {

tab->Cells[i] [1] = tab->Cells [j-1] [5];

tab->Cells[i] [2] = tab->Cells [j-1] [6];

tab->Cells[i] [3] = tab->Cells[j] [5];

tab->Cells[i] [4] = tab->Cells[j] [6];

}

}}}

 // –

void __fastcall TForm1:IF1 (TStringGrid *tab, int head, int tail, int m)

{

if (n % 2 == 1) {

StringGrid1->Cells[head] [1] = StringGrid1->Cells[tail] [5];

StringGrid1->Cells[head] [2] = StringGrid1->Cells[tail] [6];

StringGrid1->Cells[head] [3] = StringGrid1->Cells[m] [5];

StringGrid1->Cells[head] [4] = StringGrid1->Cells[m] [6];

}

else

{

StringGrid1->Cells[head] [1] = StringGrid1->Cells[tail] [6];

StringGrid1->Cells[head] [2] = StringGrid1->Cells[tail] [5];

StringGrid1->Cells[head] [3] = StringGrid1->Cells[m] [6];

StringGrid1->Cells[head] [4] = StringGrid1->Cells[m] [5];

}}

 // –

void __fastcall TForm1:IF2 (TStringGrid *tab, int head, int tail, int m, int m1)

{

if (n % 2 == 1) {

StringGrid1->Cells[head] [1] = StringGrid1->Cells[tail] [5];

StringGrid1->Cells[head] [2] = StringGrid1->Cells[tail] [6];

StringGrid1->Cells[head] [3] = StringGrid1->Cells[m] [5];

StringGrid1->Cells[head] [4] = StringGrid1->Cells[m] [6];

}

else

{

StringGrid1->Cells[head] [1] = StringGrid1->Cells[tail] [6];

StringGrid1->Cells[head] [2] = StringGrid1->Cells[tail] [5];

StringGrid1->Cells[head] [3] = m;

StringGrid1->Cells[head] [4] = m1;

}}

 // –

void __fastcall TForm1: StrGr1 ()

{

int L, as1, as2, as3, as4, as5, d2a;

as1 = n/4 + n % 2;

as2 = as1 + L;

as3 = as2/2 + as2% 2;

as4 = as3/2 + as3% 2;

d2a = 4*n-k +5;

L = n-k;

StringGrid1->Cells[1] [5] = d2a;

StringGrid1->Cells[1] [6] = d2a+1;

for (int i=2; i<StringGrid1->ColCount; i++) {

StringGrid1->Cells[i] [5] = StringGrid1->Cells [i-1] [5]+2;

StringGrid1->Cells[i] [6] = StringGrid1->Cells[i] [6]+2;

}

StringGrid1->Cells[as1] [1] = n – 3;

StringGrid1->Cells[as1] [2] = n – 2;

StringGrid1->Cells[as1] [3] = n – 1;

StringGrid1->Cells[as1] [4] = n;

for (int i=(as1–1); i>=0; i–)

for (int j=4; j<=0; j–)

StringGrid1->Cells[i] [j] = StringGrid1->Cells [i+1] [j] – 4;

if (n % 2 == 1) {

StringGrid1->Cells[1] [1] = 0;

StringGrid1->Cells[1] [2] = 0;

StringGrid1->Cells[1] [3] = 0;

StringGrid1->Cells[1] [4] = 1;

}

Cycle (StringGrid1, as2, (as2-L/2), – 1, as1,0, – 2);

Cycle (StringGrid1, as3, (as3-L/4), – 1, as2,0, – 2);

Cycle (StringGrid1, (as1+1), (as2-L/2–1), 1,0,4,2);

IF1 (StringGrid1, as3+1, as2+1, as2+2);

IF1 (StringGrid1, as5, as3+1, as3+2);

IF2 (StringGrid1, as5+1, as5, n+2, n+1);

}

 // –

void __fastcall TForm1: StrGr2 ()

{

int d2b, d1, d3, bs1, tail, head, m, m1;

d2b = 8*n-5*k-3;

d1 = (n-k)*2;

d3 = n-k-3;

bs1= n/4–2;

StringGrid2->Cells[1] [5] = d2b;

StringGrid2->Cells[1] [6] = d2b+1;

for (int i=2; i<StringGrid2->ColCount; i++) {

StringGrid2->Cells[i] [5] = StringGrid2->Cells [i-1] [5]+2;

StringGrid2->Cells[i] [6] = StringGrid2->Cells[i] [6]+2;

}

StringGrid2->Cells[bs1] [1] = n – 3;

StringGrid2->Cells[bs1] [2] = n – 2;

StringGrid2->Cells[bs1] [3] = n – 1;

StringGrid2->Cells[bs1] [4] = n;

for (int i=(bs1–1); i>d2b; i–)

for (int j=0; j<4; j++)

StringGrid2->Cells[i] [j] = StringGrid2->Cells [i+1] [j] – 4;

IF1 (StringGrid2, d1+2, d1, d3–2);

tail+=2;

head+=2;

IF1 (StringGrid2, d1+2, d1, d3–2);

if (n % 2 == 1) {

StringGrid2->Cells [head+2] [1] = StringGrid2->Cells[head] [6];

StringGrid2->Cells [head+2] [2] = StringGrid2->Cells[head] [5];

StringGrid2->Cells [head+2] [3] = StringGrid2->Cells [d3+1] [6];

StringGrid2->Cells [head+2] [4] = StringGrid2->Cells [d3+1] [5];

}

tail= d3;

m= 4*(k-1);

head = bs1+2;

for (int i=1; i<n-k; i++)

{

IF2 (StringGrid2, head, tail, m, m-1);

tail+=2;

head+=2;

}

IF1 (StringGrid2, head, d1, d1+1);

IF1 (StringGrid2, head, tail, n/4–2);

IF2 (StringGrid2, head, tail, 2*n+4,2*n+3);

}



Результаты работы программы



В программе была задана разрядность n = 36 и количество отбрасываемых разрядов k = 31. Разбиение МКП представлено на рис. 2.

Блоки контроля БКА и БКБ представлены в приложении 4.

Описание схемы блока контроля БКА приведено в табл. 4.



Таблица 4



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Вх1

1

5

9

13

17

21

25

29

33

118

122

126

128

132

136

Вх2

2

6

10

14

18

22

26

30

34

119

123

127

129

133

137

Вх1

3

7

11

15

19

23

27

31

35

120

124

0

130

134

138

Вх2

4

8

12

16

20

24

28

32

36

121

125

0

131

135

139

Вых1

118

120

122

124

126

128

130

132

134

136

138

140

142

144

146

Вых2

119

121

123

125

127

129

131

133

135

137

139

141

143

145

147



Таблица 4 продолжение



16

17

18

19

20

21

Вх1

140

142

146

150

152

38

Вх2

141

143

147

151

153

37

Вх1

0

144

148

0

154

157

Вх2

0

145

149

0

155

158

Вых1

148

150

152

153

156

159

Вых2

149

151

153

154

157

160


Описание схемы блока контроля БКБ приведено в табл. 5.



Таблица 5



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Вх1

39

43

55

59

63

67

71

161

165

171

177

169

177

167

185

Вх2

40

44

56

60

64

68

72

162

166

172

178

170

178

168

186

Вх1

41

0

57

61

65

69

73

163

53

173

51

179

49

183

47

Вх2

42

0

58

62

66

70

74

164

54

174

52

180

50

184

48

Вых1

161

163

165

167

169

171

173

175

177

179

181

183

185

187

189

Вых2

162

164

166

168

170

172

174

176

178

180

182

184

186

188

190



Таблица 5 продолжение



16

17

18

19

Вх1

175

189

191

76

Вх2

176

190

192

75

Вх1

187

45

193

195

Вх2

188

46

197

196

Вых1

191

193

195

197

Вых2

192

194

196

198






Список литературы



		Рабинович З.Л., Раманаускас В.А. Типовые операции в вычислительных машинах. – Киев: Техника, 1980.

		Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов. – М.: Высш. шк. 1987.