не отличается высоким быстродействием, а для повышения быстро-
действия используют так называемый сквозной и групповой пере-
нос.
В качестве элементов для такого сумматора можно взять
микросхемы К155ЛА3 и две К155ЛР4.
Возможно также построение сумматоров на основе тригге-
ров - тогда сумматор будет накапливающим, то есть результат
суммы будет доступен для считывания даже после отключения
входных сигналов.
РЕГИСТР
Регистры в данном курсовом проекте используются для хра-
нения и преобразования (сдвига) мантиссы и порядка. В целом
регистры делятся на параллельные, последовательные и комбини-
рованные. В нашем узле используются возможности как параллель-
ных (для хранения) так и последовательных (для сдвига) регист-
ров.
Как же строятся регистры? Регистры строятся на основании
триггеров, количество которых зависит от разрядности регистра.
Параллельные регистры.
Вот пример простейшего параллельного однофазного регистра
на RS-триггерах:
Вывод прямого кода----------------T---------------------------
Ввод---T--------------------------+---------------------------
¦ ----¬ ----T------¬ ¦ ----¬
L-+& ¦ ¦ ¦ TT ¦ L-+& ¦
¦ O-----O S ¦ +-¬ ¦ O-------¬
X(i) ---+ ¦ ¦ ¦ ¦ L---+ ¦ ¦
L---- +---+ ¦ L---- ----¬ ¦ ----¬
¦ ¦ ¦ --------+& ¦ L-+& ¦
---O R ¦ O---- ¦ O-¬ ¦ O-- X(i)
¦ ¦ ¦ ¦ ---+ ¦ L-+ ¦
¦ L---+------- ¦ L---- L----
Установка "0"---+----------------------+----------------------
Вывод обратного кода-------------------+----------------------
Эта схема только для одного разряда, но соединив такие
блоки можно получить регистр любой разрядности. Условное обоз-
начение для 4-х разрядного регистра:
---T----T--¬
----+S1¦RG ¦ ¦
¦ ¦ ¦1 +---
----+S2¦ ¦ O---
¦ ¦ ¦2 +---
----+S4¦ ¦ O---
¦ ¦ ¦4 +---
----O R¦ ¦ O---
L--+----+---
Такой регистр является 2-х тактным, поскольку ввод инфор-
мации производится в 2 такта: первым тактом на шину "Уст. 0"
подается 0 сигнал для установки в 0 всех триггеров, при этом
на шине "Ввод" - 0; вторым тактом устанавливается 1 на шинах
"Уст. 0" и "Ввод" и значения разрядов X1,X2,..,X(i),.. записы-
ваются по входу S триггеров. Ввод - в прямом коде. Вывод - как
в прямом так и в обратном. Для вывода в нужном нам коде
подается 1 на нужную нам шину, причем одновременная подача 1
на обе шины запрещена.
Парафазный регистр на RS-триггерах:
Ввод кода---T-------------------------------------------------
¦ ----¬ ----T------¬ ----¬
+-+& ¦ ¦ ¦ TT ¦ -----+& ¦ _
¦ ¦ O-----O S ¦ +-- ¦ O--- X(i)
X(i) --+-+ ¦ ¦ ¦ ¦ --+ ¦
¦ +---+ +---+ ¦ ¦ +---+
L-+& ¦ ¦ ¦ ¦ ---+-+& ¦
_ ¦ O-----O R ¦ O-- ¦ ¦ O--- X(i)
X(i) ----+ ¦ ¦ ¦ ¦ +-+ ¦
L---- L---+------- ¦ L----
Вывод кода------------------------------+---------------------
Также как и в предыдущем случае (и как будет во всех по-
следующих) это схема всего одного разряда, соединяя которые
вместе можно получить регистр любой разрядности.
Отличие данного регистра от предыдущего заключается в
том, что ввод информации осуществляется путем подачи "1" на
шину "Ввод" без предварительной установки в 0, т.е. за 1 такт.
Это объясняется парафазным представлением вводимого кода. Вы-
вод также парафазный, для чего необходимо подать 1 на шину
"Вывод".
Однофазный регистр на D-триггерах:
----T--------¬
---O S ¦ TT ¦
¦ ¦ +---
X(i) ---¦ D ¦ ¦
¦ ¦ ¦ ----¬
----->¦ C ¦ ¦ --+& ¦
¦ ¦ ¦ O----- ¦ O--- X(i)
¦ ---O R ¦ ¦ --+ ¦
¦ L---+--------- ¦ L----
Ввод----+-----------------------+--------------
Вывод прямого кода--------------+--------------
Значения подаются на входы D соответствующих триггеров, а
сигнал "Ввод" подается подается на входы C, причем предвари-
тельная установка в "0" не требуется.
Парафазный регистр на JK-триггерах:
----T---------¬
+---+ ¦ ----¬
X(i) ---------+ J ¦ +------+& ¦ _
¦ ¦ ¦ ¦ O--- X(i)
----->¦ C ¦ ¦ --+ ¦
_ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ L----
X(i) ---+-----+ K ¦ O-- ¦
¦ +---+ ¦ ¦
¦ ---O R ¦ ¦ ¦
¦ L---+---------- ¦
Ввод----+------------------------+--------------
Вывод обратного кода-------------+--------------
Вводимая информация должна быть представлена в парафазном
коде, а выводимая информация может быть в прямом, обратном и
парафазном виде. Данный регистр, как и предыдущий, является
однотактным.
Последовательные регистры
(регистры сдвига)
В отличие от параллельных регистров, которые не связаны
друг с другом, параллельные регистры обязательно связаны между
собой. По этим связям при сдвиге информации каждый триггер
передает свое состояние соседнему в направлении сдвига тригге-
ру и изменяет свое состояние, принимая состояние предыдущего
триггера. Информация может передаваться между триггерами как в
однофазном так и в парафазном виде, а сдвиг может производить-
ся вправо либо влево для простых регистров сдвига или в любом
направлении для реверсивных регистров сдвига.
Как же построить регистр данного вида? Для этого необхо-
димо определить взаимодействие между триггерами:
Для D-триггера:
RG>: D(i)=Q(i-1)
----T------¬ ----T------¬
----O S ¦TT ¦ Q(i) ----O S ¦TT ¦ Q(i+1)
+---+ +---¬ +---+ +---
----+ D ¦ ¦ L-------+ D ¦ ¦
-->¦ C ¦ ¦ -->¦ C ¦ ¦
¦ +---+ O--- ¦ +---+ O---
¦ -O R ¦ ¦ ¦ -O R ¦ ¦
¦ ¦L---+------- ¦ ¦L---+-------
Уст."0"--+-+--------------------+-+---------------
Сдвиг----+----------------------+-----------------
Для сдвига влево используется формула: D(i)=Q(i+1). Стро-
ится такой регистр аналогично.
Вот формулы и схема для для аналогичного регистра на
JK-триггерах:
_
RG>: J(i)=Q(i-1), K(i)=Q(i-1)
----T-----¬ Q(i) ----T-----¬
X(i) ----+ J ¦TT +---------------+ J ¦TT +---- Q(i+1)
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
->¦ C ¦ ¦ _ ->¦ C ¦ ¦
_ ¦ ¦ ¦ ¦ Q(i) ¦ ¦ ¦ ¦ _
X(i) --+-+ K ¦ O-------------+-+ K ¦ O---- Q(i+1)
¦ L---+------ ¦ L---+------
Сдвиг-----+-------------------------+-----------------------
Наиболее экономичной для построения регистров сдвига яв-
ляется схема на D-триггерах, которая требует в 2 раза меньше
корпусов микросхем по сравнению со схемой на JK-триггерах и в
2 раза меньше связей между триггерами за счет однофазной пере-
дачи информации.
Реверсивный сдвиговый регистр имеет схемы управления
межтриггерными связями для чего обычно используют элементы
И-ИЛИ-НЕ. С помощью этих элементов в соответствии с сигналами,
управляющими направлением сдвига обеспечиваются связи между
триггерами для выполнения сдвига в заданном направлении.
В нашем узле мы не будем конструировать сами ни сумматор
ни регистры, поскольку все нужные нам элементы уже содержатся
в серии микросхем К155.
Теперь перейдем к конкретному рассмотрению схемы нашего
узла.
Входные данные подаются на регистр RG1 в параллельном ви-
де. Для этого на входы D1-D8 подаем входные данные а на ос-
тальные: V1=V2=R=1, D(+)=D(-)=0. Тогда по приходу синхроим-
пульса C1 данные со входов D1-D8 будут занесены в регистр. Об-
щая схема работы (с точки зрения синхроимпульсов) приведена
ниже:
¦
C1 ¦ --¬
+-- L---------------------------------
+-------------------------------------
¦ --¬
C2 +---- L-------------------------------
¦ --¬ --¬ --¬ --¬ --¬ --¬ --¬
C3 +------ L-- L-- L-- L-- L-- L-- L-----
L-------------------------------------
Затем, как видно из вышеприведенной схемы, данные с выхо-
дов 2-8 регистра RG1 поступают на входы D1-D7 регистра RG2,
причем на вход D8 подается 0. Абсолютно аналогично, то есть
подав V1=V2=R=1, D(+)=D(-)=0 мы заносим данные (это мантисса
числа, которую нам надо нормализовать) по приходу синхроим-
пульса C2 в регистр RG2. По приходу этого же синхроимпульса в
регистр RG4 заносится 7d=111b - это сразу смещенный порядок
числа. Затем, начинается подача импульсов C3. Что же происхо-
дит при этом? Здесь начинает работать логика на элементах
И-НЕ. То есть, проверяется содержится ли в старшем разряде
мантиссы 0 (выход 1 регистра RG2). Если да, то сихнроимпульс
приходит на регистры RG2 и RG4. Это приводит к тому, что ман-
тисса, содержащаяся в регистре RG2 сдвигается на 1 разряд вле-
во, а информация из регистра RG4 поступает на сумматор, где из
порядка вычитается 1 и обратно заносится в регистр RG4. Таким
образом мы разряд за разрядом нормализуем мантиссу. Когда в
старшем разряде мантиссы окажется 1, то сработает логика на
элементах И-НЕ и синхроимпульс C3 пойдет на регистр RG3, в ко-
торый попадут выходные данные: старший разряд с регистра RG1
(знак), четыре разряда с регистра RG2 (мантисса) и три разряда
с регистра RG4 (порядок). Для обеспечения работы регистра RG2
в параллельном и последовательном режиме на входе узла имеется
управляющий вход V2. В начале работы, для обеспечения парал-
лельного занесения из регистра RG1 в RG2 на вход V2 должна
подаваться 1, а затем, для сдвига влево, должен подаваться 0.
В регистре RG4, для обеспечения параллельного занесения на
входы D0, V и C1 подается 1. Занесение 0111b (07d) в регистр
RG4 происходит при появлении синхроимпульса C2, который не
только обеспечивает занесение 7d в регистр порядка но и обес-
печивает занесение в регистр RG2 мантиссы, а синхроимпульсы C3
отвечают за нормализацию мантиссы и за занесение выходных дан-
ных в регистр RG3 (это так сказать "выходной" регистр, с кото-
рого снимаются результаты преобразования).
Временная диаграмма для конкретного примера приводится в
приложении, однако в несколько сокращенном виде поскольку по-
лную временную диаграмму привести практически очень тяжело по-
скольку она будет занимать очень большой размер, да и это не-
нужно потому что некоторые внутренние входы/выходы практически
никакой смысловой нагрузки не несут.
Более подробное описание логики (уже на основе конкретной
схемы, приведенной в приложении и на основе позиционных обоз-
начений микросхем) следует далее:
Как было описано выше, после появления синхроимпульса на
входе XP6 (C1) входные данные с шины XP5 заносятся в регистр
D1. После чего появляется сигнал XP8 (C2) который заносит зна-
чения 2-8 регистра D1 (мантисса) в регистр D2. Надо помнить,
что при этом управляющий вход XP7 (управление регистром, V2)
подана 1. Кроме того, сигнал XP8, проходит через логику на
элементах D6.1-D6.3, D7.1-D7.3, которые появляются на входах
d1-d3 регистра D4. После пропадания сигнала XP8 по заднему
фронту в регистр D4 заносится значение 0111b (07d). Затем
синхроимпульсы появляются на входе XP9 (C3). На логике D8.3
старший разряд регистра D2 инвертируется и поступает совместно
с XP9 на элементы D6.4 и D7.4. Если в старшем разряде регистра
D2 содержится 0, то данная логика сработает и на входах C1 ре-
гистра D4 и C регистра D2 возникнет синхроимпульс. На входе
XP7 (управление регистром) у нас уже 0. Это приводит к тому,
что значение в регистре D2 сдвинется влево на один разряд. Вы-
ходные данные с регистра D4 уже прошли через сумматор D5 и
(всвязи с тем, что каждый четный выход у этого сумматора ин-
версный) логику на элементах D8.1, D8.2 поступили на вход ре-
гистра D4. В сумматоре данные складываются со значением 1111b
(-1d), то есть фактически вычитается 1. Итак, эти данные уже
поступили на вход регистра D4 и после прихода синхроимпульса
на C2 эти данные в параллельном виде заносятся в регистр D4.
В эти же моменты времени у нас работает логика на элемен-
тах D8.4, D9.1, которая проверяет, а не появилась ли у нас в
старшем разряде регистра D2 единица?
Пока в старшем разряде D2 будет появляться 0 - будет идти
сдвиг мантиссы и вычитание из порядка 1. Но как только в стар-
шем разряде регистра D2 появится 0, то сработает логика на
элементах D6.4 и D7.4 которая прекратит подачу синхроимпульсов
и преобразования над мантиссой и порядком. С другой стороны,
сработает логика на регистрах D8.4 и D9.1 и синхроимпульс XP9
(C3) появится на входе регистра D3, что приведет к занесению
результатов преобразования в регистр D3 (старший разряд из ре-
гистра D1 - знак, 4 разряда из регистра D2 - мантисса и 3 раз-
ряда из регистра D4 - порядок).
Все преобразования закончились и узел готов к следующему
преобразованию.
Возможен также альтернативный вариант схемы: вместо связ-
ки регистр-сумматор можно использовать синхронный вычитающий
счетчик с возможностью параллельного занесения информации.
Тогда порядок подавался бы в на этот счетчик, а при преобразо-
вании (сдвиге) мантиссы из порядка вычиталась бы 1. Данный,
альтернативный вариант хотя и на порядок проще, однако и рабо-
тает он медленнее, так как вычитающий счетчик работает медлен-
нее чем пара регистр-сумматор.
АНАЛИЗ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ
Временная диаграмма для конкретного числа (1 0010 101)
приведена в приложении, а мы займемся быстродействием.
1. Занесение данных в регистр D1 - 30 нс.
2. Занесение данных в регистры D2, D4:
а. D2: 30 нс.
б. D4: логика И-НЕ - 15+22 нс=37 нс и занесение в регистр
35 нс.
3. Работа логики D8.3: 22 нс; D8.4+D9.1=37 нс (просиходит
параллельно с пунктом 4a).
4. Обработка порядка и мантиссы:
а. Сдвиг в регистре D2: 30 нс.
б. Порядок: сумматор, логика И-НЕ, параллельное занесение
в регистр: 55+22+35=112
5. Занесение информации в регистр D3: 30 нс.
То есть при худшем раскладе - 6 преобразований над ман-
тиссой и порядком, суммарное быстродействие узла:
30+72+112*6+30=804 нс.
То есть максимальная частота преобразования=1,24 МГц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте был разработан узел, который
выполняет функцию перевода чисел из формата с фиксировнной
точкой в формат с плавающей точкой.
Построенный узел выполняет поставленную функцию и хотя и
не является оптимальным, но работает при данных условиях (как
максимальная частота преобразования, так и реализация на
микросхемах серии К155 и т.д.). Если критичны затраты по эле-
ментам, то более предпочтителен альтернативный вариант, а если
по времени - то основной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каган Б.М., Электронные вычислительные машины и систе-
мы, М. 1991 год.
2. Рахимов Т.М., Справочник по микросхемам серии К155,
Новосибирск 1991 год.
3. Иванов Л.Н., Пентегов В.В., Архитектура вычислительных
систем и сетей. Методические указания к курсовому проектирова-
нию, Новосибирск 1986 год.
ВРЕМЕНННАЯ ДИАГРАММА РАБОТЫ УЗЛА
ДЛЯ ЧИСЛА 1 0010 101
A1 ¦-------------------- A1-A8 - входные данные
++---------------------
A2 ¦
+====================--
A3 ¦
A4 ¦--------------------
A5 ¦
A6 ¦--------------------
A7 ¦
A8 ¦--------------------
C1 ¦ --¬ С1-синхроимпульс
+=+-+================--
Q1(1)¦ ----------------- Q1(1-8) - выходы регистра D1
+===+------------------
Q1(2)¦
Q1(3)¦
Q1(4)¦ -----------------
+---+------------------
Q1(5)¦
+---=================--
Q1(6)¦ -----------------
Q1(7)¦
Q1(8)¦ -----------------
C2 ¦ --¬
+---=+-+=============--
C3 ¦ --¬ --¬ --¬ C2,C3 - синхроимпульсы
+---====+-+=+-+=+-+==--
Q2(1)¦ ------- Q2(1-7) - выходы регистра D2
+---==========+--------
Q2(2)¦ ----¬
+---======+---+======--
Q2(3)¦ ---¬ -------
+---===+--+===+--------
Q2(4)¦ ----¬
Q2(5)¦ ---¬ -------
Q2(6)¦ ----¬
Q2(7)¦ ---¬
+---===+--+==========--
Q4(1)¦ ---¬ ------- Q4(1-3) - выходы регистра D4
Q4(2)¦ -------¬
+---===+------+======--
Q4(3)¦ --------------
+---===+---------------
Q3(1)¦ --- Q4(1-8) - выходы регистра D3
+-----------------+----
Q3(2)¦ ---
Q3(3)¦
+-----------------====-
Q3(4)¦ ---
Q3(5)¦
Q3(6)¦ ---
Q3(7)¦
Q3(8)¦ ---
L-----------------+----
Страницы: 1, 2
