Конвейерное устройство для вычисления гиперболических функций Советский патент 1983 года по МПК G06F7/548 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь вано в специализированных вычислител ных системах высокой производительности для вычисления гиперболических функций. В задачах, связанных с цифровой обработкой физической, навигационной и другой информации, требуется выполнить операции вычисления гиперболических функций над массивами чи сел. Вычислять данные функции необхо димо также при управлении роботамиманипуляторами от ЭВМ. Причем в системах реального времени требования скорости выполнения данных операций очень высоки. Известен цифровой генератор гипер болических функций, содержащий генер тор тактовых импульсов, элемент запр та, делитель частоты аргумента, счет чик аргумента, делитель частоты учас ков аппроксимации, элемент задержки счетчик участков аппроксимации, счет чик результата, регистр, два управля мых делителя частоты, блок 1. Устройство относится к классу уст ройств на пересчетных схемах, которы имеют простую структуру, однако обла дают низкой производительностью. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому.является ус ройство, содержащее четыре регистра три сумматора-вычитателя, два блока сдвига, постоянное запоминак цее устройство (ПЗУ), счетчик адреса ПЗУ, блок микропрограммного управления. Устройство аппаратно реализует операций вычисления функций5{14 сЬ. Его быстродействие при вычислении данных функций не превышает времени T 2,5 ntcM, где п - разрядность обрабатьшаемых операндов, . . . 1„ - время суммирования двух чисел на сумматоре. При реализации этого устройства необходим блок памяти для хранения 2 констант, а также микропрограмм блока микропрограммного управления 2. Недостатком устройства является низкое быстродействие и большие объе мы дорогостоящих блоков памяти АЛЯ хранения констант и микропрограмм. Цель изобретения - повышение бы.стродействия. Поставленная цель достигается тем что в конвейерное устройство для вычисления гиперболических функций, содержащее три входных регистра, три сумматора-вычитателя и блок синхронизации,, причем выход первого регистра соединен с первым информационным входом первого сумматора-вычитателя ; выход второго входного регистра соединенс первым информационным входом второго сумматора-вычитателя , выход третьего входного регистра соединен с первым входом третьего сумматора-вычитателя, дополнительно введены:. (2п-1 блоков вычисления итераций (где п - разрядность аргумента) , причем информационные входы входных регистров сое-; динены с входами установки начальных условий устройства, управляющие входы входных регистров соединены с выходом блока синхронизации и тактовыми входами блоков вычисления итераций, выхода первого и второго входных регистров соединены со вторыми информационными входами соответственно первого, и второго сугФ1аторов-вычитателей, прямой выход знакового разряда третьего входного регистра соединен с управляющими входами первого и второго сумматоров-вычитателей, второй информационный и управляющий входы третьего сумматора-вычитателя соединены соответственно с. входом константы устройства и инверсным выходом знакового разряда третьего входного .регистра, выходы первого, второго и третьего сумматоров-вычитателей соединены с.оответстврнно с первым, вторым, и третьим информационньоли входами первого блока вычисления итераций , выходы с первого по третий i-ro (,..., 2п-2) блока вычисления итераций соединены соответственно с первого по третийинформационными входами (i + 1)-го блока вычисления итераций, причем каждый блок вычисления итераций содержит три регистра и три су1да4атора-в1: читателя, первые информационные входы которых соединены с выходами, соответствуняцих .регистров, информационные входы которых соединены с соответствующими информационными входами блока, тактовый вход которого соединен с управляющими входами регистров, выходы первого и. второго регистров соединены со вторыми информационными вхо- дами соответственно второго и первого сумматоров-вычитателей , управляющие входы которых соединены с прямым выходом знакового разряда третьего регистра, инверсный выход знакового разряда которого соединен с упра.влякицим входом третьего сумматора-вычитателя, второй информационный вход которого соединен с входом константы блока. На фиг. 1 представлена блок-схема устройстваJ на фиг. 2 - схема блока управления. Конвейерное устройство для вычисления функций S и с h Ч содержит п блоков 1 вьтчисления итерации, блок 2 синхронизации, входы 3 и 4 блока, выход 5 блока синхронизации. Каждый блок 1 вычисления итерации содержит входные регистры 6-8 и сумматоры-вычитатели 9-11.( Блок 2 синхронизации содержит три гер 12, генератор 13 импульсов, элемен.т 14 И,..счетчик 15 и элемент 16 ИЛИ-НЕ. Алгоритм вычисления функций 5i1 и et,iC описывается следующими итерационными формулами x,,--x... : ,, . U, Si m peiQrHv,- , где ( , если i четное, .}ii если i нечетное, которые при начальных значениях х, о - дают после 2 п итераций X(v, ciiif ,й„ 5W. Здесь коэффициент УО, называемый коэффициентом деформации гиперболического вектора, определяется из соотношения хДпи-2-- мТ Li--i J Устройство работает следующим образом. В первом такте в регистр 6 блока 1 записывается константа Хо, регистр Iсбрасывается, в О, а в регистр 8 поступает значение операнда Ч в форм с фиксированной запятой. Если , то 4-1, т.е. знаковый разряд регистра 8 равен нулю. Сигналы, поступающие спрямого выхода знакового разряда регистра 8 на управляющие входы сумматоров-вычитателей 9 и 10 и с инверсного выхода знакового раз7 ряда регистра 8 на управляющий вход сум матора-вычитателя 11 соответственно, определяют выполняемую на соответствующем сумматоре-вычитателе onepaдню. Если сигнал, поступающий на управляющий вход.сумматора-вычитателя, равен логическому нулю,.то выполняется операция сложения, а если логической единице - вычитание. Таким образом, на сумматорах-вычитателях 9 и 10 будет выполняться операци сложения, а на сумматоре-вычитателе II- вычитание. Если же то 1, т.е. знако вый разряд регистра 8 равен 1. В это случае сигнал из знакового разряда регистра 8, поступая на управляющие входы сумматоров-вычитателей, опреде лит , что на сумматорах-вычитателях 9 и 10 должно производиться вычитани а на сумматоре-вычитателе 11 - сложе ние. Таким образом, на сумматоре-вычич тателе 9 формируется значение х, ра ное сумме или разности, в зависимости от знака 4 ЛУ содержимым регистра 6 и сдвинутым на один разря вправо содержимьам регистра 7, а на сумматоре-вычитателе 10 формируется значениеf , равное сумме или разности между содержимым регистра 8 и сдвинутьм на один разряд вправо содержимым регистра .6. Данный сдвиг о существляется путем соединения выходов i-ro разряда регистра ( i 1,2,..., п) с (i + 1)-м разрядом сумматора-вычитателя. На сумматоревычитателе 11 производится вычитание или сложение, в зависимости от знака , из содержимЬго регистра 8 константы arth2 , формируемой на входе сумматора-вачитателя 11 путем подачи в его соответствующие разряды значения логического нуля или единицы, т.е. на сумматоре-вычитателе 11 формируется значение f . Во втором такте производится запись результатов вычислений первого блока 1 во второй:Ч апись полученных на сумматорах-вычитателях 9-11 первого блока 1 в регистры 6-8 вто-. рого блока 1 соответственно. Одновременно в регистр 8 первого блока 1 поступает значение второго операнда. В первом блоке 1 производится выполнение первой итерации над вторым операндом, аналогичное.выполнение в первом такте над первым операндом/ а во втором блоке 1 выполняется вторая итерация над первым операндом. Г В третьем такте результаты вычислений, полученные во втором блоке 1, записываются в третий блок 1, а результаты первого блока 1 - во второй. В регистр..8 первого блока 1 поступает третий операнд. В первом блоке 1 выполняется первая итерация над третьим операндом, во втором вторая ит.ерация над операндс 4, в третьем - третья итерация над йервьи4 операндом, причем в третьем блоке 1 промежуточные результаты с регистров 6 и 7 поступают соответственно на сумматоры-вычитатели.10 и 9 со сдвигом на два разряда вправо, а на втором входе сумматоравыЧйтателя 11 монтажным способом формируется константа arth2. В дальнейшем результаты предыду- юих блоков поступают в последующие блоки, а в первый блок поступает новый операнд, и т.д., причем в каждом нечетном и следующем за ним блоке промежуточные результаты из регистров 6 и 7 поступеаот соответственно на бум юторы-вычитатели 10 и 9 со сдвиге на один разряд вправо большим, чем в предащувдах двух блоках, а в выражениях логарифмических арктангенсов, которые подаются монтажным способом на вторые вход)ы сумматоров-вычитателей 11 степень двойки возрастает на единицу. В 2 n-M такте на выходных сумма- торах-вычитателих 9 и 10 2 п-го блока 1 получаются первые результаты вычислений, на су шаторе-вычитателе 9 -с{ , а на сулвиаторе-вычитателе . Результаты вычисления-от пер вого операнда мд.ссива чисел будут получены через 2 п тактов, а от каждого прследующего операнда массива через один такт. Тактовые импульсы, управляющие работой устройства, генерирует блок 2 синхронизации, крторьШ работает следующим образом. Перед началом обработки массива чисел в счетчик 15 по входу 4 поступает числоf равное длине обрабатываемого массива. По входу 3 на триггер 12 поступает сигнал пуска, который устанавливает его в состояние 1 и сигнал с выхода триггера разрешает прохождение импульсов через элемент 14 И из генератора 13 импульсов. С выхода элемента 14 И тактовые импуль сы поступают на регистры устройс :ва по выходу 5, а также на сч втчик 15. G поступлением каждого импульса в устройство информация продвига1ется на одну ступень вниз, а из содержи- мого счетчика 15 вычитается единица. Как только содержимое счетчика стане нулю, т.е.. массив чисел обр аботан, на выходе элемента 16 ИЛИ-НЕ появляется сигигш, сбрасывающий триг гер 12 в состояние О, а сигнал с выхода этого триггера запрещает прохождение тактовых импульсов через з лемент И 14 на регистры устройства. Устройство работает по конвейерному принципу/ поэтому в каждом такте в него можно вводить новый операн а на вьосоде получать новый результат вычисления. При обработке массивов чисел быстродействие устройства опре деляется длительностью такта обработ ки данных, которая равна задержке в одном блоке 1 устройства, т.е. Т у t, -где tc - время сложения или вычитания двух чисел на сумматоревычитателе. По быстродействию предлагаемое устройство значительно превосходит прототип при обработке массивов чисел. Быстродействие повышено в 2,5 п раз. Кроме того.в устройстве нет необ- ходимости хранить константы, коли чество которых авно п, в блоках . памяти, поскольку они подаются на сумматоры-вычитатели монтажным способом, а также не нужен блок памяти для хранения .микропрограмм сложного блока микропрограммного управления , так как.управление устройством осуществляется от простого блока синхронизации. . .; Так как в каждом нечетном и следующем за ним блоке 1.устройстйа выполняются одинаКовыа итерации, можно в каждом блоке 1 выполнять по две итерации, поставив на его входе коммутаторы, подключающие входы входных регистров блока 1 выходам сумматоров-вычит ателей предыдущего блока 1, или к выходам сумматороввычита1в,й данного блока 1. Тогда . устройство будет содержать п блоков 1 вычисления итерации, а его произ.водИтельность будет определяться сортношением. . . . Т 2(tcft+ t)-, , где (- задержка информации коммутатором./ . Промежуточными регистрами в устройстве можно разделять не каждый, блок вычисления итерации, 2,3, ..., блоков, что ;поэволит. сократить затраты на оборудование., однако это уменьшит производительность., Предлагаемое устройство обладает высокой однородностью структуры, что . позволяет реализовать его в виде больших интегргшьных схем.

1.КОНВЕЙЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ГИПЕРБОЛИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ, Содержащее три входных регистра, три сумматора-вычитателя и блок синхронизации причем выходы первого, второго и третьего входных регистров соединены с первыми информационными . входами сортветственно первого, второго и третьего сумматоров-вычитателей, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия при обработке массива чисел, в него введены. ( 2п-1) блоков вычйсления итераций {где п - разрядность аргумента) , причем информационные входы входных регистров Соединены с входами установки начальных условий устройства, управляющие входы входных регистров соединены с выходсял блока синхронизации и тактовьами вхот дами блоков вычисления Итераций, выходы первого и второго входных регистров соединены с вторыми информационными входами соответственно первого и второго сумматоров-вычитателей, прямой выход знакового разряда третьего звходного регистра соединен с управляющими входами первого и .второго сумматоров-вычитателей, второй информационный и управляющий входы третьего, сумматора-вычитателя . соединены соответственно с входом кон станты устройства и инверсным выходом знакового разряда третьего входного регистра, выходы первого, второго и третьего сумматоров-вычитателей соединены соответственно с первым, вторым и третьим информационными входами первого блок.а вычисления итера:ций, выходы с первого по третий i-ro 4i 1,2,..., 2n-2) блока вычисления итераций соединены i соответственно с первого по тр,етий информационными входами (i + 1)-го блока вычисления . 2. Устройство по п. 1, о т Л .ич а ю щ е е с я тем, что блок в1ычислейия итераций содержит три регистра и три су л«атора-вычитателя, первые 2 информационные входы соединены с выходами соответствующих регистров , информационные входы которых соединены с соответствующивш информационныЕми входами, блока, тактовый вход которого соединен с управляюишми входами регистров, stoiopn первого и второго регистров соединены с вторыми инфсчэмационными входами соответственно второго и первого сумматоров-вычитателей, управляпоцие входы Koto{« iX соединены с прямым выходом знакового разряда третьего регистра, инверсный выход знакового разряда которого соединен с управляющим входом третьего сумматоравычитателя, второй информационный вход которого соединен с входом константы блока.