СПОСОБЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ (ВО) И УСТРОЙСТВО ИХ РЕАЛИЗАЦИИ
METHODS OF EXECUTING COMPUTER OPERATIONS (CO) AND DEVICE OF THEIR IMPLEMENTATION

1
1
1
1
Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в процессорных устройствах ЭВМ и устройствах цифровой автоматики. Известны способы и устройства выполнения вычислительных операций сложения (ОС), логического сложения (ОЛС) и логического умножения (ОЛУ). Упомянутые способы и устройство рассмотрены в книге М.А. Карцева «Арифметика цифровых машин», издательство "Наука", 1969 г. Стр. 147-156, рис. 2-8, 2-9, стр. 552-554. Общим недостатком выполнения ОС является необходимость формирования сигнала переноса и распространение его от младших разрядов до самого старшего разряда. В том случае, если в первом разряде слагаемые A=B=1, вырабатывается поразрядный сигнал переноса, равный Pi'=AB, который распространяется до n-го разряда, если слагаемые всех старших разрядов равны Ai V Bi=1, то максимальная временная задержка переноса будет равна Тз=2nτ (τ - задержка переключения элемента И, ИЛИ; n - число разрядов суммирующего устройства (СУ)), что определяет время выполнения ОС, при прочих равных условиях. Для снижения времени распространения сигнала переноса применяются различные схемы ускорения формирования переноса, но это требует дополнительных затрат оборудования, повышения энергопотребления и дополнительных финансовых расходов. Наиболее близким прототипом предлагаемого устройства является сумматор комбинационного типа, схема которого приведена в упомянутой книге М.А. Карцева, стр. 152, рис. 2-8. По принципу работы и затратам электронного оборудования прототип и предлагаемое СУ совпадают. Но быстродействие прототипа зависит от числа двоичных разрядов, а предлагаемое устройство не зависит от этого показателя, и максимальное время задержки переноса всегда равно длительности первого временного такта t1, что делает быстродействие СУ независимым от числа двоичных разрядов. Кроме того, предложенные способы и устройство обеспечивают расширение функциональных возможностей предлагаемого СУ за счет выполнения ОЛС и ОЛУ при минимальных затратах дополнительного оборудования.
Для реализации способов выполнения ВО предложено устройство, каждый разряд которого построен на основе четырех элементов И, четырех элементов ИЛИ, одного элемента НЕ и трех входов управления (ВУ) выполнением элементарных операций формирования имитационного потенциала переноса ВУ1 и входами ВУ2, 3 выполнением операции логического сложения и логического умножения, трех информационных входов Ai, Bi, Pi-1 и двух информационных выходов Pi, Si.
Для пояснения работы устройства при выполнении ВО на фиг. 1 приведена функциональная схема одного разряда СУ. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: элементы И 1-4, элемент НЕ 5, элементы ИЛИ 6-9, первый - третий информационные входы (ИВ) 10-12, первый и второй информационные выходы (ИВых) 13, 14, первый вход управления ВУ1 формированием имитационного потенциала переноса (ИПП) 15, второй ВУ2 выполнением ОЛС 16, третий ВУ3 выполнением ОЛУ 17.
Устройство выполнено следующим образом. Информационные входы 10 и 11 соединены с входами И1 и ИЛИ6. Вход 12 соединен с ИЛИ 8, 7, И4. Выход И1 соединен с входами И4, ИЛИ7. Первый ВУ 15 подключен к входу ИЛИ7, выход которого соединен с И2. Выход 13 является первым информационным выходом Pi, выработанным в i-м разряде. Вход 16 подключен к входу И2. Вход 17 соединен с входом ИЛИ1. Выход И2 через НЕ5 соединен с И3. Выход ИЛИ8 связан с вторым входом И3, выход которого подключен к входу ИЛИ9. Выходы И3, 4 соединены с входами ИЛИ9, выход 14 является вторым информационным выходом Si.
Рассмотрим выполнение ВО. В исходном состоянии до начала выполнения ВО на ИВ 10-12 и ИВых 13, 14 отсутствуют высокие потенциалы (ВП). На ВУ 16 присутствует ВП, который разрешает работу И2, при наличии ВП на остальных входах упомянутого элемента.
1. Выполнение ОС. Операция выполняется за два временных такта t1 и t2. По t1 на ИВ10, 11 поступают ВП с единичных выходов триггеров n-разрядных регистров А и В (на фиг. 1 регистры не приводятся). В случае Ai=Bi=1 на выходе И1 формируется ВП поразрядного сигнала переноса i-го разряда Pi', на выходе ИЛИ6 также будет сформирован ВП при Ai V Bi=1. Упомянутые сигналы вырабатывают на выходе И2 потенциал переноса (ПП) в старший разряд. Одновременно ВП с И2 через НЕ5 запретит работу И3. Если в i-й разряд по входу 12 поступит сигнал переноса из i-1-го разряда, то на выходе 14 будет сформирован результат суммы i-го разряда Si=1. Потенциал переноса по выходу 13 будет проходить через все старшие разряды СУ, если в этих разрядах Ai V Bi=1, при этом максимальная временная задержка ПП при его прохождении из первого разряда в самый старший разряд будет равна Тз=2nτ (τ - задержка одного элемента И (ИЛИ), n - число разрядов СУ). Для исключения Тз в предлагаемом устройстве введен первый ВУ1 формированием имитационным потенциалам переноса, подключенный к третьему входу ИЛИ7. Это позволяет исключить время задержки формирования ПП при выполнении ОС. Таким образом, по t1 будут сформированы имитационные потенциалы переносов в тех разрядах, в которых Ai=Bi=1, и имитационные потенциалы переноса в каждом разряде, кроме тех разрядов, в которых Ai=Bi=0. По t2, после снятия ВП с первого ВУ15 формированием ИПП, в каждом разряде СУ останутся только реальные потенциалы переносов и реальные результаты суммирования двоичных кодов двух n-разрядных регистров А и В согласно соотношениям: Pi = AiBi v [Pi-1(Ai v Bi)]=1…1.1,  здесь Pi, Si - потенциалы переноса и суммы, выработанные в i-м разряде;  - инверсное значение Pi; Pi-1 - потенциал переноса, выработанный в i-1-м разряде, результат выполнения ОС выдают из суммирующего устройства с выходов элементов ИЛИ9 на вторые информационные выходы Si 14.
2. Выполнение ОЛС. Операция выполняется за один временной такт t1. По первому такту принимают в каждый разряд СУ по входам 10 и 11 слагаемые Ai и Bi. Снимают ВП с ВУ16, чем запрещают работу И2, при этом на выходе НЕ5 будет ВП, разрешающий прохождение Ai v Bi=1 с ИВ 10, 11 по цепи элементов ИЛИ6, 8, И3, ИЛИ9 на второй информационный выход Si14. На этом выполнение операции заканчивают.
3. Выполнение ОЛУ. Операция выполняется за один временной такт t1. По этому такту принимают по входам 10 и 11 первый и второй сомножители Ai и Bi. Подают одновременно ВП на входы 15 и 17, при этом на выходе 13 будет высокий потенциал, который через третий информационный вход 12 поступит на вход И4 старшего разряда. Если на входы 10 и 11 i-го разряда поступили коды "1", то с выхода И1, через И4 первого старшего разряда ИЛИ9, на второй информационный выход 14 поступит ВП, что соответствует результату ОЛУ, равному "1". При всех других значениях сомножителей, поступивших на входы 10 и 11, на выходе будет отсутствовать ВП, т.е. результат ОЛУ будет равен "0". На этом операцию завершают.
Таким образом, предложенные способы и устройство их реализации позволяют выполнять ОС без временных задержек ПП, что обеспечивает повышение быстродействия СУ, расширить функциональные возможности за счет выполнения ОЛС и ОЛУ при минимальных затратах аппаратурных средств (20 входов логических элементов против 17 у прототипа).