Структуры операционныхустройств 3 2 9


Сложение и вычитание с фиксированной запятой, сдвиги, логические операции	Умножение и деление с фиксированной запятой	Арифметические операции с плавающей запятой	Элементарные функции, матричные операции
., Аппаратура		Программа
j Аппаратура		Программа
Аппаратура			Программа

Рис. 7.1. Динамика изменения соотношения между аппаратной и программной реализациями

функций АЛУ

На рис. 7.1 показана динамика изменения соотношения между аппаратной и программной реализациями функций АЛУ по мере развития элементной базы вычислительной техники. Здесь подразумевается, что по вертикальной оси откладывается календарное время.

Структуры операционныхустройств

Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных ОПУ, называется структурным базисом. Структурный базис ОПУ включает в себя:

• регистры, обеспечивающие кратковременное хранение слов данных;

• управляемые шины, предназначенныедля передачи слов данных;

• комбинационные схемы, реализующие вычисление функций микроопераций и логических условий по управляющим сигналам от устройства управления.

Используя методику, изложенную в [21], можно синтезировать ОПУ с так называемой канонической структурой, являющуюся основополагающей для синтеза других структур. Такая структура образуется путем замены каждого элемента реализуемой функции соответствующим элементом структурного базиса. Каноническая структура имеет максимальную производительность по сравнению с другими вариантами структур, однако по затратам оборудования является избыточной. С практических позиций больший интерес представляют два иных вида структур ОПУ: жесткая и магистральная.

Операционные устройства с жесткой структурой

В ОПУ с жесткой структурой комбинационные схемы жестко распределены между всеми регистрами. К каждому регистру относится свой набор комбинационных схем, позволяющих реализовать определенные микрооперации. Пример ОПУ с жесткой структурой, обеспечивающего выполнение операций типа «сложение», приведен на рис. 7.2.

В состав ОПУ входят три регистра со своими логическими схемами:

• регистр первого слагаемогоРСл1 и схемаЛРСл1;

• регистр второго слагаемого РСл 2 и схемаЛРСл2;

• регистр суммыРСм и схема комбинационного сумматораСм.

33 0 Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин

Логическая схема Л РСл2 реализует микрооперации передачи второго слагаемого из из РСл2 )на левый вход сумматора:

• прямым кодом Л Си > РСл2 '(по сигналу управления Е^РОгё);

• инверсным кодом^ЛСм:"~^,РСл2 (по сигналу управления В^РСлг);

• со сдвигом на один разряд влево-^ПСм ^:" Ll(POi2 · 0) (_По сигналу управления 1ЛРСл2).

Логическая схема ЛРСл1 обеспечивает передачу результата из регистра РСм

в регистр РСл1:

• прямым кодом ^РСл1:" ^РСм (^по сигналу управления П_гРСл1);

• со сдвигомна один разряд влево^РСл1:" L1(PCm'· 0) (по сигналу управления ЦРСм);

• со сдвигом на два разряда вправо^¹:- R2(s * S · РСи) (_По сигналу управления R,PCm).

Комбинационный сумматор См предназначен для суммирования (обычного или шо модулю 2) операндов, поступивших на его левый (ЛСм) и правый (ПСм) входы. Результат суммирования заносится в регистр· ^р^^м: ^р^-^и ^:" Л См ⁺ "См ι(_Πο сигналу управления П_гРСм) или РСм > ЛСм Θ ПСм (по сигналу управления П_гМ2РСм).

Моделью ОПУ с жесткой структурой является так называемый /-автомат, с особенностями синтеза которого можно ознакомиться в [21, 25].

Аппаратные затраты на ОПУ с жесткой структурой С_ж можно оценить по выражению

где Ν— количество внутренних слов ОПУ; и„..., η_Ν— длины слов; п = (nl+ ... + η_Ν)/Ν — средняя длина слова; L· —количество микроопераций типа; = 1,2,.... ^(сложение, сдвиг, передача и т. п.), используемых для вычислений слов с номерами г = 1,2, ..., Ν; С_т — цена триггера; С — цена одноразрядной схемы для реализации микрооперации j-ro типа.

В приведенном выражении первое слагаемое определяет затраты на хранение л-разрядных слов, второе — на связи регистров с комбинационными схемами,

Структуры операционных устройств 331

а третье — суммарную стоимость комбинационных схем, реализующих микрооперации Ктипов над N словами.

Затраты времени на выполнение операций типа «сложение» в ОПУ с жесткой

структурой равны

где ί_Β — длительность микрооперации выдачи операндов из регистров; t_c— продолжительность микрооперации «сложение»; t_n — длительность микрооперации приема результата в регистр.

Достоинством ОПУ с жесткой структурой является высокое быстродействие, недостатком — малая регулярность структуры, что затрудняет реализацию таких ОПУ в виде больших интегральных схем.

Операционные устройства с магистральной структурой

В ОПУ с магистральной структурой все внутренние регистры объединены в отдельный узел регистров общего назначения (РОН)¹, а все комбинационные схемы — в операционный блок (ОПБ), который зачастую ассоциируют с термином «арифметико-логическое устройство».

Операционный блок и узел регистров сообщаются между собой с помощью , магистралей — отсюда и название «магистральное ОПУ».

Пример магистрального ОПУ представлен на рис. 7.3.

В состав узла РОН здесь входят N регистров общего назначения, подключаемых к магистралям А и В ^ерез мультиплексоры MX А и MX В. Каждый из мультиплексоров является управляемым коммутатором, соединяющим выход одного из РОН с соответствующей магистралью. Номер подключаемого регистра определяется адресом а или Ь, подаваемым на адресные входы мультиплексора из устройства управления.

В операционных устройствах для обработки чисел с плавающей запятой вместо РОН часто используется отдельный узел регистров с плавающей запятой.