71077

Зібрати схеми суматорів, досліджувати їх характеристики

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Суматори виконують арифметичне (в протилежність логічному) складання і віднімання чисел. Мають самостійне значення і є також ядром схем арифметико-логічних пристроїв (АЛП), що реалізують ряд різних операцій і є неодмінною частиною всіх процесорів. Апаратна складність і швидкодія суматора є дуже важливі параметри і тому розроблено безліч варіантів суматорів...

Украинкский

2014-11-01

362 KB

2 чел.

Лабораторна робота №2   Суматори

Мета роботи: Зібрати схеми суматорів, досліджувати їх характеристики

Теоретичні відомості

Суматори виконують арифметичне (в протилежність логічному) складання і віднімання чисел. Мають самостійне значення і є також ядром схем арифметико-логічних пристроїв (АЛП), що реалізують ряд різних операцій і є неодмінною частиною всіх процесорів.

Апаратна складність і швидкодія суматора є дуже важливі  параметри і тому розроблено безліч варіантів суматорів, які мають розгалужену класифікацію. Виділяючи головні варіанти, зупинимося на таких типах суматорів:

• півсуматор;

• однорозрядний суматор;

• суматор для послідовних операндів;

• суматор для паралельних операндів з послідовним переносом;

• суматор для паралельних операндів з паралельним переносом;

• суматор групової структури.

Поряд з суматором можна створити пристрої для віднімання, однак віднімання виконується через складання із застосуванням зворотних (інверсія всіх розрядів числа, включаючи знаковий) або додаткових (до молодшого розряду зворотного коду додається одиниця) кодів. Таке рішення особливо важливо для побудови суматора, що виконує складання чисел з довільними знаками. У цьому випадку негативні числа зберігаються в додатковому коді, а їх знаковий розряд - негативний. Додавання в додатковому коді здійснюється за правилами двійкової арифметики розряд за розрядом, включаючи знакові розряди. Можливе перенесення з знакового розряду ігнорується. При цьому результат виходить також в додатковому коді.

Багаторозрядний суматор складається з однорозрядних, що реалізують додавання однорозрядних чисел. Однорозрядних суматор, на вхід якого надходять два однорозрядних числа Ai та Bi, а на виході формуються також однорозрядні числа суми Si і перенесення Рi, називають півсуматор (рис. 1)

                

Рис. 1

Таблиця істинності для півсуматора (табл. 1) дозволяє записати функцію обчислення суми Si і одиниці перенесення Рi в старший розряд:

Таблиця 1

Ai    Bi

Si   Pi

0      0

0      0

0      1

1      0

1      0

1      0

1      1

0      1

                                                  (1)

Згідно виразам (1) півсуматор можна реалізувати в базисі елементів І-НЕ (ріс.1б), в базисі елементів АБО-НЕ, або на основі логічного елемента ВИКЛЮЧНЕ АБО і І (рис. 1в). Можливі інші реалізації півсуматора на підставі тотожних перетворень виразу (1)

 

Якщо однорозрядний суматор реалізує додавання трьох однорозрядних чисел Ai, Bi і C (перенесення з молодшого розряду), то такий суматор називають повним.

Таблиця2

У багаторозрядних суматорі тільки самий молодший розряд можна виконати за схемою півсуматора, а інші розряди виконують функції повного суматора.

Таблиця істинності однорозрядного суматора має наступний вигляд (табл. 2)

Ai

Bi

Ci-1

Si

Ci

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

Аналітичні вирази функцій суми і перенесення мають вигляд

Еквівалентні перетворення цих виразів дають різні реалізації повного суматора (рис. 2).

Рис. 2

Додавання багаторозрядних чисел можна реалізувати послідовно або паралельно. При послідовному підсумовуванні потрібно однорозрядних повний суматор, на вхід якого протягом тактового інтервалу послідовно, починаючи з молодшого розряду, подаються відповідні розряди доданків і результат перенесення від складання на попередньому такті (рис. 3 а, б). Результат підсумовування порозрядно з виходу суматора передається в лінію зв'язку або запам'ятовується в буферному зсувному регістрі суми.

Рис. 3.

Операція підсумовування закінчується через кількість тактів підсумовування (N +1), де N - кількість розрядів доданків чисел А і В,. Додатковий такт необхідний для реалізації перенесення від підсумовування старших розрядів. При цьому загальний час підсумовування буде становити: Tзаг = tзΣ (N +1), де tзΣ-затримка суматора SM. Послідовний суматор вимагає мінімальних витрат устаткування, що не залежать від розрядності чисел. Однак тривалість операції підсумовування пропорційна розрядності операндів, тому послідовний суматор може використовуватися у відносно повільних цифрових пристроях.

Паралельний суматор з послідовним переносом

У паралельному m-розрядному суматорі використовується т повних суматорів (рис. 4), тобто витрати обладнання пропорційні розрядності операндів, але операція підсумовування виконується за один такт ΤΣ. Тривалість такту ΤΣ і складність реалізації паралельного суматора залежать від способу реалізації переносів. У простому випадку виходи і входи ланцюгів переносу з'єднуються послідовно і тривалість такту пропорційна кількості розрядів суматора і часу реалізації перенесення в одному розряді tзд.р.п. :

      (2)

де tΣ - тривалість підсумовування в однорозрядних суматорі, m - розрядність суматора.

Рис. 4

Як і в інших схемах з послідовним поширенням сигналів від розряду до розряду, тут час підсумовування практично пропорційний розрядності суматора.

При великій кількості розрядів і послідовної реалізації перенесення тривалість підсумовування (2) виявляється неприпустимо великий.

Паралельний суматор з паралельним переносом

Суматори для паралельних операндів з паралельним переносом розроблені для отримання максимальної швидкодії. Збільшення швидкодії паралельного суматора досягається за рахунок одночасного формування сигналів переносу у всіх його т розрядах. Сигнали переносу для даного розряду формуються спеціальними схемами блоками прискореного перенесення, на входи яких надходять всі змінні, від яких залежить його наявність або відсутність. Ясно, що це зовнішній вхідний перенос Свх (якщо він є) і значення всіх розрядів доданків, молодших відносно даного розряду (рис. 5). Позначення CR від слова carry (перенесення).

Рис. 5

Формування переносу в схемах CR виконується за допомогою двох допоміжних функцій: генерації та прозорості.

Функція генерації приймає одиничне значення, якщо перенесення на виході даного розряду з'являється незалежно від наявності або відсутності вхідного перенесення. Очевидно, що ця функція така:      

Функція прозорості (транзиту) приймає одиничне значення, якщо переноесення на виході даного розряду з'являється тільки при наявності вхідного перенесення. Ця функція має вигляд   

Вираз для сигналу переносу можна записати у вигляді  

Таким чином, перенесення на виході молодшого розряду тобто він або генерується самим розрядом  або пропускається через нього і

Аналогічно для переносу C1 на виході наступного розряду або підставивши в це співвідношення вираз для Со, отримаємо:

Для довільного розряду з номером i можна записати:

Тривалість підсумовування суматора з паралельним поширенням переносу не залежить від його розрядності. Однак зі зростанням розрядності суматора збільшується навантаження елементів схеми, що збільшує їх затримки. Тому зростання розрядності уповільнює процес підсумовування.

Діапазон розрядностей, в яких проявляються переваги суматорів з паралельним перенесенням, невеликий. До n = 3 ... 4 переваги мають більш прості схеми суматорів з послідовним переносом, при n> 4 переваги мають суматори з паралельним перенесенням, а після n = 8 у суматорів з паралельним переносом з'являються перевантажені елементи і елементи з великим числом входів, що уповільнює їх роботу і ускладнює реалізацію. Тому для додавання чисел більшої розрядності застосовуються суматори групової структури.

Суматори групової структури

В суматорах групової структури схема з розрядністю n ділиться на груп по m розрядів (n =ℓ * т). У групах і між ними можливі різні види перенесень (паралельні і послідовні).

Нижче наведена схема з ланцюговим (послідовним) перенесенням між групами. У самих групах перенесення при цьому може бути будь-яким. При групах суматор має. - 1 блок переносу. Блоки перенесення включені послідовно й утворюють тракт передачі переносу (рис. 6). Складові розбиті по m-розрядів, які складаються в групах. Результат також складається з m-розрядних частин.

Рис. 6

Блоки перенесення БПi (i = 1 ...) аналізують доданки в межах групи, і якщо з групи повинен бути перенесення, то він з'являється на виході блоку для подачі на вхід наступної групи і в ланцюжок розповсюдження переносу від молодших груп до старших.

Переноси визначаються формулами, отриманими вище для суматорів з паралельним переносом, але суматори завдяки поділу на групи істотно спрощуються - у них все БПi мають однакову складність (всі блоки аналізують m-розрядні операнди), тоді як в суматорі з паралельними переносами складність схем перенесення безперервно зростає при переході від попереднього розряду до подальшого (остання схема перенесення вимагає аналізу операндів з розрядністю n-1). Максимальна тривалість підсумовування для такого варіанту суматора

Функції прозорості розрядів, необхідні для блоків переносів, реалізуються або в цих блоках, або вже є в групах, якщо в них організований паралельний перенос, і можуть надходити з груп (штрихові лінії на рис. 6).

Суматор з паралельними міжгруповими перенесеннями будується за структурою, аналогічною структурі суматора з паралельним переносом, в якій роль однорозрядних грають групи.

Порядок проведення експериментів

Експеримент 1. Дослідження півсуматора.

Зберіть однорозрядний півсуматор двох чисел.

Подайте на входи дані з табл. 2.

Переконайтеся у відповідності Ваших результатів записам у правій частині таблиці.

Експеримент 2. Дослідження повного суматора.

Зберіть однорозрядних повний суматор двох чисел

Подайте на входи дані з табл. 2.

Переконайтеся у відповідності Ваших результатів записам у правій частині таблиці.


Експеримент 3.

Зберіть трирозрядний півсуматор двох чисел.

Виберіть два десяткових числа (до 8) і складіть їх в десятковій і двійковій системах (напр. 5 +6). Перевірте правильність виконання операції.

Проведіть експеримент з п'ятьма різними сумами чисел, суми яких більше і менше 7. Зафіксуйте результати. Поясніть отримані дані.

Питання

1. Призначення суматорів.

2. Види суматорів.

3. Що таке півсуматор?

4. Що таке повний суматор?

5. Як утворюється сигнал переносу?

6. Яке призначення сигналу переносу?

7. Намалюйте схему дворозрядного півсуматора, повного суматора

PAGE  2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3725. Формы международного перемещения капитала 55 KB
  Назовите основные формы международного перемещения капитала. Что такое прямые инвестиции, портфельные инвестиции. Международное движение капитала - это помещение и функционирование капитала за рубежом, прежде всего с целью его самовозрастания. Вклад...
3726. Системный кризис в СССР ( 70-е -первая половина 80-х гг.) 35.5 KB
  Системный кризис в СССР ( 70-е -первая половина 80-х гг.) Уже в 70-е годы поиски теоретической мысли были направлены на оправдание просчетов в коммунистическом строительстве. Если поначалу появлялись робкие упреки в адрес авторов Программы коммунист...
3727. Эволюция представлений о строении атома. Есть ли предел системе элементов Менделеева. 375.5 KB
  Возникновение атомистики Вопрос о строении окружающего мира всегда волновал человека. Начало современной науке о строении вещества было положено в античном мире, работами древнегреческих ученых разных школ – ионийской, элеатской, пифагорейской....
3728. Эволюция вселенной 79 KB
  Введение Мир, Земля, Космос, Вселенная… Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир. Величественная картина небесного купола, усеянного мириадами з...
3729. Управление обслуживание судов в порту 385.5 KB
  Введение В мировой практике торгового мореплавания под стивидорным сервисом (стивидорным обслуживанием) подразумевают комплекс услуг, представляемых судам в период пребывания их в порту. При этом понятие «обслуживание» используется в широком смысле ...
3730. Штукатурные работы и материалы для штукатурки 93.5 KB
  Введение Общее назначение штукатурок – заполнение стыков, швов на поверхности основания, обеспечение защитного или декоративного защитного покрытия на нем. Штукатурки могут применяться в порядке исключения при отделке помещения в местах, где пр...
3731. Основы экологии 191.5 KB
  Основы экологии Что такое экология? Наука об условиях жизни организмов и их взаимных связях со средой. Экология - это наука об организмах , наука о взаимоотношениях между живыми организмами и их сообществами, с окружающей их живой и неживой средой о...
3732. Основные закономерности развития человеческого сознания и интеграция знаний 48 KB
  Человек владеет прекрасным даром - разумом с его пытливым полётом, как в отдаленное прошлое, так и в грядущее, миром мечты и фантазии, творческим решением практических и теоретических проблем, наконец, воплощением самых дерзновенных замысл...
3733. Состав и свойства целофана 75.5 KB
  Введение Целлофан - это прозрачная гидратцеллюлозная (вискозная) пленка, полученная из вискозы. Целлофан является наиболее дешевым и распространенным упаковочным пленочным материалом, производится во всем мире в очень больших количествах. Лакированн...