| Раздел: Технические науки Содержание встепление 3 1. Выбор варианта задания 5 1.1. Определение параметров задания . 5 1.2. Постановка задачи на выполнение куровой работы . 5 2. вычислительный процесс. 5 2.1. Структура вычислительного процесса. 5 2.2. Схемы алгоритмов 6 2.2.1 Алгоритм вычисления А*. 6 2.2.2 Алгоритм вычисления В*. 7 2.2.2 Алгоритм вычисления С. 8 3. однородная вычислительная среда (ОВС). 9 3.1. Схемы ОВС для разработанных алгоритмов. 9 3.1.1 Схема ОВС для алгоритма А*. 9 3.1.2 Схема ОВС для алгоритма В*. 10 3.1.3 Схема ОВС для алгоритма С. 11 3.2. Временные диаграммы работы ОЭ ОВС . 12 3.2.1 Временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма А*. 12 3.2.2 Временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма В*. 14 3.2.3 Временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма С. 15 3.3. Полная схема ОЭ ОВС . 16 3.4. Коды команд ОЭ ОВС . 16 3.5. Схема цепей программирования ОВС . 17 4. Программа ОВС. 18 Заключение о выполненой работе. 20 Условные обозначения 21 Список литературы: 22 АНОТАЦИЯ В курсовой работе рассматривается арифметико-логические операции на однородной вычислительной среде (ОВС). ОВС является мощным средством вычислительной техники, сочетающим в себе достоинства двух противоположных подходов к решению вычислительных задач: аппаратного и программного. И именно ОВС является идеальной основой для построения вычислительных средств в непрерывном технологическом процессе. ОВС, среды и структуры являются наиболее перспективным направлением вычислительной техники. Они обеспечивают высокую производительность для решения сложных задач при резком снижении стоимости. ABSTRACT In the term paper are consider arithmetic-logical operations on the uniform computing ambience (UCA). UCA is a powerful computing machinery facility, combine value of two opposite to deciding the computing problems: hardware and software. And exactly UCA is an ideal central to building of computing facilities in the uncasing technological process. UCA, ambience and structures are the most perspective direction on computing machinery. They ensure high efficiency for deciding the difficult problems at the carnage reducing. ВВЕДЕНИЕ Однородная вычислительная среда (ОВС) является мощным средством вычислительной техники, сочетающим достоинства двух противоположных подходов: аппаратного и программного. Первый подход заключается в построении устройства, специализированного на решении конкретной задачи. Это позволяет достичь высокого быстродействия при ее решении. Другой подход предполагает решение задачи на универсальной ЭВМ путем составления программы вычислений. В этом случае задача решается значительно медленнее, однако для решения этой задача нет необходимости разрабатывать новые специализированные устройства, а достаточно сменить программу. ОВС обладает быстродействием первого и гибкостью второго подходов. Структуры ОВС представляют собой матрицу ячеек – операционных элементов (ОЭ). Каждый ОЭ имеет:
Информационные связи для каждого ОЭ представляют собой четыре входа и четыре выхода. Они связывают ОЭ с соседними ОЭ, расположенными по четырем сторонам:
И служат для приема и выдачи информации. Информационные входы и выходы ОЭ на границах матрицы ячеек служат для ввода операндов и вывода результатов. В ходе решения вычислительной задачи информация движется через ОЭ последовательно бит за битом. По времени вычислительный процесс представляется последовательностью одинаковых временных интервалов – тактов, которые отмеряются с помощью тактовых импульсов, поступающих через синхровходы на все ОЭ. Каждый ОЭ вносит в распространение бита информации один, два или девять тактов задержки. К настроечным входам и выходам относятся:
По входам режима одновременно для всех ячеек матрицы задается режим работы или режим программирования ОВС. Через вход программирования осуществляется запись в ОЭ кода команды. Вычислительная задача на ОВС решается с помощью различных арифметико-логических операций выполняемых в ОЭ. На ОВС возможно осуществление операций:
Приведенные выше операции выполняет арифметико-логическое устройство (АЛУ). Одновременно с операцией в АЛУ выполняется также операция с задержкой на один или два такта. Также ОЭ выполняет операции GC – генерации константы и DD – цифровой задержки на 9 тактов. В процессе выполнения курсовой работы по заданным формулам определяется вариант задания на курсовую работу, разрабатываются машинные алгоритмы побитовой обработки данных, которые переносятся на плоскость ОВС, определяется ее структура, цепи программирования и программа, являющиеся результатом выполнения работы. При выполнении курсовой работы необходимо получить ОВС с наименьшим временем программирования при минимальном количестве входов программирования. ВЫБОР ВАРИАНТА ЗАДАНИЯ 1.1 Определение параметров задания 1.1.1 Порядковый номер моей группы n=1, мой номер в группе m=25. Вариант задания определяется по формуле: K=(n-1) · 30+m , значит К=(1-1) ·30+25=25. 1.1.2 Формула вычисления результата С , определяется по параметру X , который равен X = K mod 11 , значит X = 25 mod 11 = 3. 1.1.3 По параметрам Y и Z определяются системы счисления для операндов А и В , используемых в формуле вычислений. Y = K mod 3, Y = 25 mod 3 =1 Z = K mod 7, Z = 25 mod 7 =4 1.1.4 Направления поступления операндов А и В , а также выдачи результата С определяются по шестиразрядному коду V , который вычисляется по формуле V=K mod 64 и переводится в двоичную систему счисления V = 25 mod 64 =25 = 0110012 1.1.5 Т.к. К нечетное, то вычисления в формуле осуществляются в обратном коде. 1.1.6 Исходя из полученных параметров X,Y и Z определяется максимальное время программирования в тактах: T<(X+Y+Z+6) · 16 , т.е. Т<224 . 1.2 Постановка задачи на выполнение курсовой работы 1.2.1 Ставится задача выполнения вычислений по формуле: С=|3А-В|/4 , где А и В представляются соответственно А в (2-6)-й и В в (2-13)-й системах счисления, обрабатіваются в обратном коде и поступают: А - с запада, В – с севера, а результат С відается на запад. 1.2.2 Программирование однородной вычислительной среды (ОВС) необходимо выполнить за время, не превышающее 224 такта. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС 2.1 Структура вычислительного процесса Вычисления в ОВС производятся последовательно-паралельно. Для решаемой задачи удобно выделить три алгоритма: обработка числа А , обработка числа В и их совместная обработка для получения резулбтата С . Структура вычислительного процесса показана на рисунке 1. Рис.1 Индекс “2” означает перевод чисел в двоичную систему счисления (СС), индексы “обр” и “пр” означают перевод чисел в обратный и прямой коды. 2.1.2 Числа А* и В* вычисляются параллельно, а результат С вычисляется последовательно с вычислением А* и В* . 2.2 Схемы алгоритмов 2.2.1 Алгоритм вычисления А* Ввод числа А2-6 Вычисление младшей тетрады LA Вычисление старшей тетрады HA Вычисление двоичного числа А2 Вычисление числа А* Вывод числа А* Рис.2 На рисунке 2 показан алгоритм вычисления числа А*. При поступлении двоично-шестиричного числа А2-6 (блок 2) производится перевод его в двоичную систему счисления путем вычисления младшей и старшей тетрад числа А2-6 логическим умножением на константы OF16=000011112 и FO16=111100002 соответственно, а затем вычисления 6HA+LA=A2, что выполняется на блоках 3-5. На блоке 6 производится вычисление числа А*=3А2, а на блоке 7 число А* выводится. 2.2.2 Алгоритм вычисления В* Ввод числа В2-13 Вычисление младшей тетрады LВ Вычисление старшей тетрады HВ Вычисление двоичного числа В2 Вычисление числа В* Вывод числа В* Рис.3 На рисунке 3 показан алгоритм вычисления числа В*. При поступлении числа В2-13 (блок 2) производится перевод его в двоичную систему счисления путем вычисления младшей и старшей тетрад числа В2-13 логическим умножением на константы OF16=000011112 и FO16=111100002 соответственно, а затем вычисления 13НВ+LВ=В2, что выполняется на блоках 3-5. На блоке 6 производится вычисление числа В*= -В2, а на блоке 7 число В* выводится. 2.2.3 Алгоритм вычисления С Ввод чисел А* и В* Вычисление числа С` Получение С` в обратном коде Перевод из обратного кода в прямой Вычисление числа С* Вывод числа С* Рис.4 На блоке 2 поступают обработанные числа А* и В*, блок 3 вычисляет число С`, которое образуется при сложении чисел А* и В*. Получение числа С` в обратном коде осуществляется путем его сложения с самим собой с задержкой ровно в 8 тактов, это показано на блоке 4. Блок 5 переводит число С`` полученное в блоке 4 из обратного кода в прямой путем сложения его со знаком, при этом задержка должна быть не менее7 тактов. На блоке 6 вычисляется число С*=С*/4 путем логического умножения на константу FC16=111111002. Блок 7 выводит полученный результат, т.е. число С. ОДНОРОДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СРЕДА 3.1 Схемы ОВС для разработанных алгоритмов 3.1.1 Схема ОВС для алгоритма А* Схема ОВС для алгоритма А* показана на рисунке 5. Рис.5 Схема ОВС показанная на рисунке 5 показывает обработку и получение числа А*. Из рисунка видно, что А2-6 поступает с запада на операционный элемент 1.4 на девятом такте. Одновременно с числом А2-6 на этот же элемент поступает сгенерированная константа FO16=111100002, после чего выделяется старшая тетрада НА числа А2-6, путем обнуления младших разрядов. При генерации старшей константы используются четыре такта задержки После того, как число А2-6 поступило, оно транзитом с задержкой на 2 такта поступает на ОЭ 1.1, где посылается транзитом на восток с задержкой на 2 такта и поступает на ОЭ 1.2 на 13 такте. Сгенерированная константа OF16=000011112 подается на этот же ОЭ на 13 такте, после чего путем обнуления старших разрядов в числе А2-6 выделяется младшая тетрада LА. Она поступает на ОЭ 1.5 на 15 такте. Одновременно с младшей тетрадой на ОЭ 1.5 поступает старшая тетрада и транзитом с задержкой на 1 такт и удвоением поступает на ОЭ 1.8, где разбивается на 2 транзита: один в северном направлении с задержкой на 2 такта и удваивается, т.е. образуется 4НА, а другой в восточном направлении с задержкой на 1 такт и поступает на ОЭ 1.9 на 15 такте. На ОЭ 1.5 складываются 4НА+LА и поступают на ОЭ 1.6 на 16 такте. При их сложении тратится один такт задержки. Поступившие 2НА на 15 такте умножаются сами на себя с задержкой в 1 такт и на 16 такте поступают на ОЭ 1.6, где складываются с 4НА+LА получая 6НА+LА=А2 на 17 такте. После чего число А2 разбивается на 2 транзита: один с задержкой на 2 такта уходит в южном направлении и поступает на ОЭ 3.3 на 19 такте, а второй уходит в западном направлении и поступает на ОЭ1.8 в удвоенном виде на 17 такте, где число А2 умножается само на себя используя 1 такт задержки и на 18 такте число А2 поступает па ОЭ 3.2, где транзитом с задержкой на 1 такт в восточном направлении подается на ОЭ 3.3 на 19 такте. На ОЭ 3.3 А2 и 2А2 складываются используя 1 такт задержки образуя число А* на 20 такте. 3.1.2 Схема ОВС для алгоритма В* Схема ОВС для алгоритма В* показана на рисунке 6. Рис.6 Схема ОВС показанная на рисунке 6 показывает обработку и получение числа В*. Из рисунка видно, что число В 2-13 поступает на ОЭ 2.2 на 9 такте с севера и одновременно на этот же элемент поступает сгенерированная константа FO 16 =11110000 2 после чего выделяется старшая тетрада H B , на выделение которой используется 4 такта задержки и 1 такт при выходе из ОЭ 2.2. Старшая тетрада Н В транзитом в 1 такт в южном направлении с ОЭ 2.1 поступает на ОЭ 2.4 на 15 такте, где разбивается на 2 транзита: один с задержкой на 2 такта уходит на восток и учетверяется, т.е. получается 4Н В , которые на 15 такте поступают на ОЭ 2.5, на этом элементе 4Н В умножаются сами на себя используя 1 такт задержки и удваиваются образуя 8Н В на 15 такте, которые поступают на ОЭ 2.8; второй транзит уходит в южном направлении с задержкой на 1 такт и Н В поступает на ОЭ 2.7 на 16 такте, либо 2Н В на 15 такте, где разбивается на транзит, т.е. на ОЭ 2.8 поступает 4Н В на 15 такте, которые складывается с 8Н В с задержкой в 1 такт образуя 12Н В на 16 такте, 12Н В складываются с Н В на ОЭ 2.7 образуя 13НВ на 18 такте. После поступления числа В2-13 оно транзитом с задержкой на 2 такта поступает на ОЭ 2.5, где опять же транзитом на 2 такта задержки поступает на ОЭ 2.6 на 12 такте. Из этого элемента транзитом с задержкой на 1 такт поступает на ОЭ 2.8 и с ОЭ 2.8 с задержкой на 2 такта транзитом на 16 такте поступает на ОЭ 4.2, куда одновременно поступает сгенерированная константа OF16=000011112, после чего выделяется младшая тетрада LB, которая поступает с задержкой на 2 такта на ОЭ 4.1 на 18 такте, где складывается с13НВ образуя число В2 с задержкой в 1 такт, т.е. на 19 такте. В свою очередь В2 на 19 такте поступает на ОЭ 4.4, где путем логического умножения с инверсией получается В*=-В2 с задержкой в 1 такт. Число В* выходит из ОЭ 4.4 на 20 такте. 3.1.3 Схема ОВС для алгоритма С Схема ОВС для алгоритма С показана на рисунке 7. Рис.7 Схема показанная на рисунке 7 показывает получение числа С. Числа А* и В* поступают на Оэ 3.6 на 20 такте, где складываются используя 1 такт задержки и получая число С` на 21 такте поступающее на ОЭ 3.9. На элементе 3.9 происходит перевод числа в обратный код. Для этого число С` складывается само с собой с задержкой ровно на 8 тактов и получается число С`` на 30 такте. Число С`` нужно взять по модулю, поэтому его складывают с самим собой с задержкой не менее 7 тактов с помощью операции суммы по модулю два, что видно на ОЭ 3.8, откуда выходит число С. По заданной формуле С необходимо разделить на 4, это производится путем логического умножения на константу FC16=111111002, которая поступает на ОЭ 3.7 на 38 такте как и число С, при этом используется 2 такта задержки и 1 такт при выходе числа С=С/4. Число С получено на западе на 41 такте. 3.2 Временные диаграммы работы ОЭ ОВС 3.2.1 Временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма А*
Таблица 1 Hа таблице 1 показаны временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма А*. Временные диаграммы показывают для входов ОВС и всех используемых выходов ОЭ. Столбцы диаграмм отмеряют такты работы ОВС. Рассмотрим для примера несколько диаграмм из таблицы 1, описывающей вычислительный процесс алгоритма А*. Диаграмма А2-6 показывает, что на 9 такте в данную точку(западный вход ОЭ 1.4) поступил младший бит а1 и т.д. до поступления в такте 16 старшего бита а8. Константа OF16 (в рамке) записывается под разрядами операнда А2-6, что определяет их одновременный приход на входы ОЭ 1.2, причем в столбцах разрядов младшей тетрады указываются единичные значения, а напротив старшей – нулевые. Логическое умножение операнда А2-6 на константу OF16 (в ОЭ 1.2) определяет результат LA c сохранением с сохранением младшей тетрады и обнулением старшей кода А2-6, а также сдвигом на 2 такта, что показано на диаграмме 1.2. Сгенерировав константу FO16 логическим умножением А2-6 на FO16 oбнуляем младшие разряды кода А2-6, из-за чего результат дополнительно задерживается нa 4 такта. Вычисление двоичного числа А2 выполняется элементом 3.6. На ОЭ 3.3 складываются А2 и 2А2 с задержкой в 1 такт. Результат А* поступает на южный информационный выход ОЭ 3.3. 3.2.2 Временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма В*
Таблица 2 Hа таблице 2 показаны временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма В*. 3.2.3 Временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма С
Таблица 3 Hа таблице 3 показаны временные диаграммы работы ОВС выполняющей вычисления для алгоритма С. 3.3 Пoлная схема ОВС Структура ОВС представляет собой матрицу ячеек – операционных элементов, как показано на рисунке 8. Выпускаемые промышленностью микросхемы ОВС содержат матрицу 3х3 ОЭ, из которых набираются ОВС заданного размера. В данном случае ОВС состоит из четырех микросхем, расположенных как показано на рисунке 8. Рис.8 3.4 Kоды команд ОЭ ОВС В первом столбце таблицы записываются номера ОЭ в схеме. В следующем – коды операций (КОП), выполняемых в ОЭ. Далее столбец У, где У – бит, который определяет задержку выдачи из ОЭ результатов – один или два такта соответственно, при У=0 и У=1. Коды управления А1-А6 задают направления первого и второго операндов поступающих на АЛУ, А3 – направление поступающего транзита, А4 – направление выдачи результата, А5 и А6 отвечают соответственно за направление выдачи транзитов с задержкой на 2 такта и на 1 такт. В последнем столбце коды команд ОЭ, представленные в 16-ричной системе счисления Q 16 .
Таблица 4 3.5 Схема цепей программирования ОВС Микросхемы имеют три входа и три выхода программирования, через которые последовательно программируются ОЭ строк. Последовательные соединения регистров команды всех ОЭ ОВС позволяет программировать ОВС через 1 вход программирования, однако требует для этого максимальное количество тактов. При меньшем времени программирования выполняется несколько последовательных цепей, которые программируются параллельно через несколько входов программирования. Наименьшее время программирования достигается при равномерном распределении звеньев между цепями программирования. На рисунке 9 показано определение цепей программирования для данной ОВС, составленной из 4 микросхем, а также времени программирования, по условию 224 такта. Крупным и мелким пунктиром обозначены соответственно микросхемы и их строки, которые в качестве элементарных звеньев составляют три цепи программирования со входами Вх.1, Вх.2, Вх.3 и временем программирования 192 такта. Рис.9 ПРОГРАММА ОВС Пpограмма для ОВС представляется двухмерным массивом бит с количеством строк равным количеству входов программирования. В каждой строке записываются коды команд ОЭ в порядке их очередности в цепи программирования. Коды команд ОЭ удобно представлять в 16-ричной системе счисления. Для неиспользуемых ОЭ указываются нулевые коды команд. Для ОВС, решающей задачу данной работы, программа имеет вид массива записанного в таблице 4 (с указанием номеров ОЭ напротив их кодов команд). Номера ОЭ ОВС составлены слева направо из номера микросхемы к номеру ОЭ внутри микросхемы.
Таблица 4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ О ВЫПОЛНЕНОЙ РАБОТЕ Таким образом были рассмотрены все пункты разработки курсовой работы, а также изложены некоторые методологические выкладки. Задача. Поставленная в начале работы решена – получена однородная вычислительная среда, в которой число А в (2-6)-й cистеме счисления поступает с запада, число в (2-13)-й cистеме счисления с севера, проводятся вычисления по формуле С=|3A-B|/4 в обратном коде, результат С выдается на запад в прямом коде в двоичной системе счисления. ЛИТЕРАТУРА
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||