Diseño de Operadores Aritméticos - …homepage.cem.itesm.mx/garcia.andres/PDF201411/Aritmetica(Basis).pdf · Algoritmos de procesamiento digital de señales •Los algoritmos de

Diseño de Operadores Aritméticos

Dr. Andrés David García García

Departamento de Mecatrónica

ITESM-CEM

Algoritmos de procesamiento digital de señales

• Los algoritmos de DSP basan su funcionamiento en operadores aritméticos y unidades de almacenamiento temporal.• Filtros Digitales

• Transformadas Discretas Coseno/Fourier

• Convolución

• Operadores MAC(Multiply And ACcumulate)

2

)()()(1

0

knxkhnyM

k

Algoritmos de DSP

• Diseño de Operadores Aritméticos: crítico en el diseño VLSI de arquitecturas de DSP

• Arquitecturas eficientes de operadores aritméticos funamentales (sumas, restas, multiplidadores y divisores) para aplicaciones VLSI

• Objetivo: Diseñar y Construir arqutiecturas con un mínimo tiempo de propagación (mejorar velocidad de respuesta), y con el menor requerimiento de superficie de silicio (optimizar la densidad y el nivel de integración).

ADGG / LFGP 3

Representación de Números en Binario

• Números positivos en binario: Magnitud:

4

1

0

2N

i

iBiX

i 3 2 1 0

15 1 1 1 1

14 1 1 1 0

: : : : :

2 0 0 1 0

1 0 0 0 1

0 0 0 0 0

Representación de Números Negativos

• Varios métodos

• Característica común: MSB representa el bit de signo• 0 número positivo

• 1 número negative

• Métodos principales• Signo y magnitud

• Complemento a 2

• Complemento a 1

5


•Signo y magnitud poco adaptado al diseño de circuitos digitales:

• Se requiere de N bits para la magnitud y de un bit extra para el signo.

• Las arquitecturas aritméticas son más complejas.

•Complemento a 2 y complemento a 1 permiten un fácil diseño de circuitos aritméticos digitales:

• Objetivo: representar números positivos y negativos usando el mísmo número de bits.

6

Numeración en Complemento a 1

• Número positivo, N,

0 XX…XXX

Donde XX…XXX representa la magnitud del número

• Número negativo, -N,

/N = (2n – 1) – N

Ejemplo: Si n = 4, -N = 15 – N,

-3 = 15 – 3 = 11 = 11002

• Regla: Complementar todos los bits de la palabra.

7

Numeración en Complemento a 2

• Número positivo, N,

0 XX…XXX

Donde XX…XXX representa la magnitud del número

• Número negativo, -N,

N* = 2n – N

Donde n es el tamaño de la palabra o número

Ejemplo: Si n = 4, -N = 16 – N,

-3 = 16 – 3 = 13 = 11012

• Regla: Avanzar de derecha a izquierda. Cuando se localice el primer 1,

complementar los siguientes bits.

8

Complemento a 1 y Complemento a 2

9

0-1-2-3-4-5-6-7 7654321

0

1

2

3

4

5

6

7

2 + 4 = 6

2 - 4 = 6 (-2)

Complemento a 2 VS Complemento a 1

• N* = 2n – N = 2n – 1 – N + 1 = /N + 1

• Obtención de N a partir de sus complementos• N = 2n – N*

• N = (2n – 1) – /N

• Complemento a 2: posibilidad de representar un número negativomás que un número positivo. Ejemplo: Para n = 4 podemosrepresentar los valores [7 .. –8]

10


11

N

Enteros

Positivos

(Todos los

sistemas)

-N

Enteros Negativos

Signo y

magnitud

Complemen

to a 2

Complemen

to a 1

+0 0000 -0 1000 ---- 1111

+1 0001 -1 1001 1111 1110

+2 0010 -2 1010 1110 1101

+3 0011 -3 1011 1101 1100

+4 0100 -4 1100 1100 1011

+5 0101 -5 1101 1011 1010

+6 0110 -6 1110 1010 1001

+7 0111 -7 1111 1001 1000

-8 ---- 1000 ----

La Suma en Complemento a 2

• La suma de números con signo de n bits es directa cuando se emplea el sistema en complemento a 2.

•Cualquier carry de la posición de signo se ignora

• La suma siempre será correcta excepto cuando ocurre overflow

•Se dice que ha ocurrido overflow cuando la representación de la suma (incluyendo el bit de signo) requiere más de n bits

12

La Suma en Complemento a 1

• Similar a la suma en complemento a 2

• Diferencia: El carry no se ignora y se suma al resultado de la suma

• También puede ocurrir overflow, lo que indica que la suma necesita más bits para representarse correctamente

13

Ejemplos

• Complemento a 2

• (+3)+(+4) => +7 (0111)

• (+5)+(+6) => +11 (1011)

• (+5)+(-6) => -1 (1111)

• (-5)+(+6) => +1 (0001)

• (-3)+(-4) => -7 (1001)

• (-5)+(-6) => -11 (0101)

14

Ejemplos

• Complemento a 1

• (+3)+(+4) => +7 (0111)

• (+5)+(+6) => +11 (1011)

• (+5)+(-6) => -1 (1110)

• (-5)+(+6) => +1 (0000) ????

• (-3)+(-4) => -7 (0111) ????

• (-5)+(-6) => -11 (0011) ????

15

Igual que el complemento a 2

Overflow

•Con el propósito de obtener una respuesta correcta de un sumador/restador, se debe asegurar que el resultado tiene el número suficiente de bits para representar el resultado•Si dos números de b-bits se suman y la suma requiere de

n+1 bits para ser representada, ocurre un overflow•El “overflow” es un problema cuando el número de bits

para representar el resultado es fijo•Una Solución: extender el resultado a n+1 bits

desperdicio de recursos

16

Overflow

•Otra solución es detectar cuando ocurre el “overflow”

•Dos casos

•Números sin signo•Números con signo

17

Overflow en números sin signo

• En la suma de 2 números sin signo, el “overflow” se detecta a partir del Carry-Out del MSB.

• En la resta de números sin signo, la magnitud del resultado es siempre igual o menor que el operando de mayor longitud, por lo que no hay posibilidad de “overflow”.

18

Overflow en números con signo

•En 2’complemento, el MSB indica el signo

•Cuando 2 números con signo se suman, el bit de signo se manipula separadamente del número y un Carry-Out de los MSB en ‘1’ no es necesariamente un “overflow”

•En números con signo, un “overflow” no puede ocurrir durante la suma si uno de los operandos es positivo y el otro negativo

19


011010010150

0000101080

0110001070

20

• Un “overflow” puede ocurrir si los 2 números a sumar son positivos o negativos

• Ejemplo: suma de 2 números de 8-bits

010101101150

0000110180

0101110170


011010010150

0000101080

0110001070

21

• Rango de valores sobre 8-bits: [-128, 127]

• El resultado (150) excede la capacidad de representación

• El resultado que debería ser positivo tiene un signo negativo y el resultado que debiera ser negativo tiene un signo positivo

010101101150

0000110180

0101110170


011010010150

0000101080

0110001070

00000010:Carry

22

• El “overflow” se detecta al observar el Carry dentro del bit de signo y el carry-out del bit de signo

• Si ambos no son iguales, un “overflow” ha ocurrido (XOR)

010101101150

0000110180

0101110170

00001101:Carry

Sumadores Binarios

• Operación aritmética básica en el diseño de circuitos digitales máscomplejos

• ClasificaciónTipo de Suma

• Sumador Completo (Full Adder)

• Sumador Medio (Half Adder)

Implementación de Sumas con n bits

• Ripple Carry Adder

• Carry Lookahead Adder

23

Sumador Medio (Half Adder)

• Circuito aritmético que genera la suma de dos bits (no toma en cuenta el bit carry)

24

Entradas SalidasA B Cout S

0 0 0 0

0 1 0 1

1 0 0 1

1 1 1 0

ABC

BABABAS

A

BS

Cout

HA

BA

S

Cout

Sumador Completo (Full Adder)

• Circuito aritmético que genera la suma de tres bits (entradas A y B, y el bit carry)

25

Cin(Del FA anterior)

Cout(Hacia el

siguiente FA)

S

BA

FA


26

Entradas Salidas

A B Cin Cout S

0 0 0 0 0

0 0 1 0 1

0 1 0 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 0 1 1 0

1 1 0 1 0

1 1 1 1 1

)(

)(

BACinABCout

BABACinABCout

BCinACinABCout

CinBAS

ABCinCinBACinBACinBAS


27

A

B S

Cin

Cout

Half Adder Half Adder

Sumadores de n bits

•Arquitecturas capaces de realizar la suma de dos números de n bits

•Dos tipos de intereses:Velocidad

Tamaño

•Dos tipos de arqutiecturasArquitecturas en Serie

Tamaño

VelocidadArquitecturas en Paralelo

Velocidad

Tamaño

28

Sumador en Serie

• Implementación de un sumador eficiente en tamaño

29

DQ

CLK

AiBi

Si

Cin CoutFAA = An-1, An-2, …,A0

B = Bn-1, Bn-2, …,B0

Condición: entradas sincronizadas

por medio de la señal CLK

Sumador Paralelo

•Arquitecturas para realizar sumas de n bits donde la velocidad es el principal criterio de diseño

•Utilización de n FA´s. Todos los bits se aplican simultáneamente a los FA´s para producir la suma

•Clasificación de acuerdo a la forma de generar el bit de carry :

• Ripple Carry Adder

• Carry Lookahead Adder

• Manchester Carry Chain

• Carry Select Adder

• Carry Skip Adder

30

Ripple Carry Adder

31

B0A0

c0

s0

B1A1

c1

s1

B2A2

c2

s2

Bn-1An-1

Cn-1

Sn-1

FAFAFAFACn

Cin 0 1 1 0

A 1 0 1 1

B 0 0 1 1

S 1 1 1 0

Cout 0 0 1 1

Ripple Carry Adder

•Aplicación simultánea de las entradas A, B

•Cada FA genera S y Cout simultáneamente después de Tp

segundos (Tp : tiempo de propagación)

• Inestabilidad inicial debido a Tp

•Después de nTp segundos, el sumador produce la sumatotal

•Desventaja: Tiempo de propagación muy largo (nTp)

32

Ripple Carry Adder

• Todas las células propagan:• Sn requiere de Cn-1

• El tiempo de propagación será igual a 3(TpropFA)

33

FA FA FAFA

S0 S1 S2 S3 S4

A3 B3A2 B2A1 B1A0 B0

C0 C1 C2 C3 C4

Ripple Carry Adder

• Si al menos una de las células FA no propaga Carry:• Sn no requerirá de Cn-1

• El tiempo de propagación será igual a 2(TpropFA

34

FAI FAp FAIFAp

S3S2S1S0 S4

A0 B0 A1 B1 A2 B2 A3 B3

C0 C2 C4C3C1

Ripple Carry Adder

•Análisis de la suma de 3 bits:

35

Ai Bi Ci Ci+1

0 0 0

0 0 1

0

0

Ai = Bi Generación

Ci+1 = Gi = Ai AND Bi

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

0

1

0

1

Ai Bi Propagación

Ci+1 = Ci Pi = Ai XOR Bi

Pi = ‘1’ Propagación de carry

Pi = ‘0’ Generación de carry

1 1 0

1 1 1

1

1

Ai = Bi Generación

Ci+1 = Gi = Ai AND Bi

Ripple Carry Adder

• Análisis de la suma de 3 bits:• A la entrada del sumador completo (3 bits) los bits A, B y Cin llegan al mismo

tiempo.

• Si sabemos desde ese momento que A = B o que A B, entonces podemos determinar, en base a la tabla anterior, si el Cout debe ser calculado en base a A, B, Cin (generación) o si el Cout = Cin (propagación).

36

Optimización de la suma de 3 bits

• Con el fin de anticipar (predecir) si el Carry de salida debe ser calculado o no, se ha modificado la célula del FA:

• Célula P

• Célula G

• Multiplexor

• Célula S

37

P G

S

M

U

X

ai bi (t0)

T1T1

Ci (tci)

T3

Si (tsi)

T2

Ci +1

(tci+1)

Optimización del sumador

• Célula:

38

P G

S

M

U

X

ai bi (t0)

T1T1

Ci (tci)

T3

Si (tsi)

T2

Ci +1

(tci+1)

Propagación

Generación

Cálculo de la suma

Manchester Carry Chain Adder

• Se forma a base de células de suma de 3 bits optimizadas (P y G).

• El objetivo es tratar de predecir, desde el momento en que llegan los bits, si una o varias células van a propagar el carry de entrada correspondiente.

• En el mejor de los casos todas las células generan el carry de salida:

Tsuma = T0

39


•Célula en modo de propagación:

40

P G

S

M

U

X

Ci

Ci+1

Si


• Célula en modo generación:

41

Ci

Si

P G

S

M

U

X

Ci+1


•Caso intermedio: Al menos una célula genera:

• En este caso las células de los bits cero, cuatro y cinco generaron Carry de salida.

• Las demás células propagaron.

• El tiempo de la suma de 8 bits es 5t (la cadena más larga).

42

11 01 10 00 10 10 01 11


•Peor caso: todas las células propagan: La suma de los bits n, requieren del carry del nivel n-1.

• El tiempo de la suma de 8 bits es 8t.

43

10 01 10 01 10 10 01 10


• Las compuertas que forman al FA tienen distintos tiempos de propagación (T1, T2, T3).

• Se supone que los módulos P y G tienen el mismo tiempo de propagación T1.

• Los operandos ai, bi están disponibles en t0.

• El carry de entrada Ci esta disponible en el tiempo tci.

44

P G

S

M

U

X

ai bi (t0)

T1T1

Ci (tci)

T3

Si (tsi)

T2

Ci +1

(tci+1)


• Propagación ó Generación:

• Suma:

45

P G

S

M

U

X

ai bi (t0)

T1T1

Ci (tci)

T3

Si (tsi)

T2

Ci +1

(tci+1)

)3,2,1,(1 TTTtft CiCi

)3,2,1,( TTTtft CiSi


• Si:

• Propagación:

• Generación:

• Suma:

46

P G

S

M

U

X

ai bi (t0)

T1T1

Ci (tci)

T3

Si (tsi)

T2

Ci +1

(tci+1)

0ttCi

211 TTtCi

211 TTtCi

31 TTtSi


47

1

10 01 10 01 10 10 01 10

tC1tC2tC3tC4tC5tC6tC6tC7

tC0

21 TTtCn De cada Cout:

Ejemplo 1: Cálculo del camino crítico en un sumador MCC

• EL camino crítico se determina usando el peor escenario ( todos los FAs propagan el acarreo)

• Calcular tcN y tsN de la siguiente figura:

48

tC0

0t

211 TTtc

2212 TTtc

2313 TTtc

012iN-1

21 iTTtci

32)1(1 TTNTtSN

21 TNTtcN

Ejemplo 1: Cálculo del camino crítico en un sumador MCC

•El primer FA genera:

•Para los demás FAs:

49

211 TTtc

32)1(1231,max

21221,max

21221,max

231221,max

221221,max

11

11

11

223

112

TTNTTtTTtt

TNTTtTTtt

iTTTtTTtt

TTTtTTtt

TTTtTTtt

cNcNSN

cNcNcN

cicici

ccc

ccc

Cálculo de los Ci independientes

• Se basa en el principio de que todos los operandos Ai y Bi llegan al mismo tiempo.

• También consideraremos que el Cin para A0 y B0 es cero.

• Volveremos a utilizar las ecuaciones correspondientes a la generación y a la propagación:

• P = AXORB

• G = AANDB

50


• Las ecuaciones de forma independiente para cara carry son:

• C0 = 0

• C1 = G0 + P0•C0

• C2 = G1 + P1•C1 = G1 + P1•(G0 + P0•C0)

• C3 = G2 + P2•C2 = G2 + P2•(G1 + P1•C1)

• C3 = G2 + P2•(G1 + P1•(G0 + P0•C0))

51


• En función de las ecuaciones de Generación y Propagación:

• C0 = 0

• C1 = G0 + P0•C0

• C2 = G1 + P1•G0 + P0•P1•C0

• C3 = G2 + P2•G1 + P1•P2•G0 + P0•P1•P2•C0

52

Aceleración de la propagación de los Ci

53

A0, B0

P0, G0

C0

S0

A1, B1

P1, G1

C1

S1

A2, B2

P2, G2

C2

S2

A3, B3

P3, G3

C3

S3

Carry LookAhead Adder

•Principio: acelerar la propagación del carry mediante el conocimiento previo del mismo.

•Se considera que todos los operandos llegan al mismo tiempo.

•El objetivo es construir un bloque independiente a la suma que permita conocer, desde el momento t0, en que nivel se va a generar y en que nivel se va a propagar el carry.

54

Carry LookAhead Adder

55

C0

P1

G1

P2

G2

P3

G3

P4

G4

C1 C2 C3 C4

•4 bits de suma:

Carry Lookahead vs Ripple Carry

)(1

1

iiii

iiiiiii

iiii

YXCXYC

CYCXYXC

CYXS

ADGG / LFGP 56

Para un sumador de n-bits

Total delay: 2n+1

Ripple Carry Adder

Critical path

Carry Lookahead vs Ripple Carry

0010112

0001

CPPGPGC

CPGC

CYXS iiii

ADGG / LFGP 57

Carry Lookahead

Para un sumador de n-bit

Total delay: 4 gate delays

Sumador/Restador

• Recordando: El complemento ‘2 permite representar números positivos y negativos usando el mismo número de bits, también permite tener un único código para el cero.

• La resta se obtiene de la siguiente forma:• Se obtiene el complemento ‘2 del número afectado por el signo

negativo.

• Se realiza una suma directa bit a bit.

• Si el Overflow es ‘1’, el resultado de la suma es la magnitud positiva (resultado positivo).

• Si el Overflow es ‘0’, el resultado de la suma es la magnitud en complemento a dos (resultado negativo).

58

Sumador/Restador

• Ejemplo:

59

1010

0010-

(10)

(2)

(8)

‘2: 0010

1101

+ 1

1110

1010

1110+

(10)

(14)

(8)

(14)

1 1000

En este caso, como el OV = ‘1’ el

resultado es un número positivo y la

magnitud del mismo se obtiene

directamente

Sumador/Restador

• Ejemplo:

60

1010

1100-

(10)

(12)

(-2)

‘2: 1100

0011

+ 1

0100

1010

0100+

(10)

(8)

(14)

(8)

0 1110

0001

+ 1

0010

En este caso, OV = ‘0’ el resultado es

un número negativo y la magnitud del

mismo se obtiene con el ‘2

Sumador/Restador

• Diseño del circuito:

61

FA FA FA FA FA

A0 A1 A2 A3 An

/B0 /B1 /B2 /B3 /Bn

‘1’

S0 S1 S2 S3 Sn

OV

Sumador/Restador


62

A0 A1 A2 A3 AnB0

/B0

B1

/B1

B2

/B2

B3

/B3

Bn

/Bn

‘0’

‘1’

S0 S1 S2 S3 Sn

OVSumador de n bits

Sumador/Restador


63

A0 A1 A2 A3 An

S0 S1 S2 S3 Sn

OVSumador de n bits

B0 B1 B2 B3 BnR/S

Formato BCD

• BCD : Binary Coded Decimal

• Cada dígito en digital se codifica usando 4 bits

• Las combinaciones: 1010 (10), 1011 (11), 1100 (12), 1101 (13), 1110 (14) y 1111 (15) no son utilizadas

• Ejemplos:

• 9710 1001 0111BCD 1100001b

• 4510 0100 0101BCD 101101b

64

BCD a 7-Segment Display

BCD

to 7-segment

Display

decoder

A

B

C

D

a

b

d

e

f

g

c

LSB LSB

65

• Cada dígito codificado en 4 bits se codifica nuevamente en una representación de 7 bits conforme al display de 7 segmentos:

BC

D i

np

ut

0123456

Suma en BCD

• Muy similar a la suma convencional, solo requiere un ajuste cuando la suma excede 9.

• Ejemplo: Suma de 2 dígitos en BCD

• Sea X= x3x2x1x0 y Y= y3y2y1y0 números en BCD

• Sea Z= z3z2z1z0 los bits de suma deseados

• Si X + Y ≤ 9 la suma no sufre ninguna corrección

• Si X + Y ≥ 9, el resultado necesita ser representado por 2 palabras de 4 bits (2 dígitos BCD). Los bits que se obtienen de la suma son incorrectos

66

Suma en BCD

01001

011

0011

0010

0001

21

4

8

67

• Dos posibles casos cuando: X+Y ≥ 91. La suma no excede 15 (no carry out)

00101

011

0111

1010

1001

41

5

9

La suma de 4 bits da un resultado en módulo 16. La suma en

decimal es módulo 10. La corrección de un decimal de peso

superior se obtiene al sumar 6 cuando el resultado excede de 9.

Suma en BCD

01101

011

00001

0001

0001

61

8

8

68

• Dos posibles casos cuando: X+Y ≥ 92. La suma excede de 15 (carry out)

10101

011

11110

0110

1001

51

6

9

00011

011

01001

1001

1001

81

9

9

La suma de 4 bits da un resultado en módulo 16. La suma en

decimal es módulo 10. La corrección de un decimal de peso

superior se obtiene al sumar 6 cuando el resultado excede de 9.

Sumador en BCD de un dígito: Arquitectura

Adder

Adder

MUX

Sum > 9 ?

X Y

Z

Sum

Correction

6 0

Cout

69

•Primer aproximación de la implementación en Hardware

Suma en BCD de dos dígitos

135

97

38

70

• Mas allá de una suma con un dígito:• El Carry-Out de la suma de correcciónentra como Carry-In de la suma de 4

bits del dígito BCD siguiente

101011001

01100110

11111011

11101001

00011100

1

Resultado mayor a “1001”?

SI

+ “0110”

Carry-Out de la suma de corrección entra a

la segunda suma como Carry-In

Resultado mayor a

“1001”? SI

+ “0110”


149

62

87

71

100100101

00000110

10010111

01000110

11100001

Resultado mayor a “1001”?

NO

No sumar “0110”

Resultado mayor a

“1001”? SI

+ “0110”

Suma en BCD de dos dígitos: Arquitectura

Adder

Adder

MUX

Sum > 9 ?

X0 Y0

Z

Sum0

Correction

6 0

Cout

Adder

Adder

MUX

Sum > 9 ?

X1 Y1

Z

Sum1

Correction

6 0

Cout

Sum2

Carry- outCarry- out

72

Optimización del circuito

• Caso: cuando la suma + “0110” es requerida• Suma mayor a “1001”

• (10) 1010

• (11) 1011

• (12) 1100

• (13) 1101

• (14) 1110

• (15) 1111

• Carry-out = 1 (suma mayor a 15)

73

Combinaciones de bits en común:

If Z3=1 and (Z2=1 or Z1=1)

Or carry-out = 1

Corrección = Carry-Out OR (Z3=1 AND (Z2=1 OR Z1=1)

Hardware Architecture

Binary Adder

Binary Adder

X Y

z3 z2 z1 z0

S0S1S2S3Cout (S4)

Cin

74


Binary Adder

Binary Adder

X0 Y0

z3 z2 z1 z0

S0S1S2S3

Cout

CinBinary Adder

Binary Adder

X1 Y1

z3 z2 z1 z0

S0S1S2S3Cout

Cin

S0S1

S2

75

Multiplicador

•Existen varios métodos básicos para el cálculo de lamultiplicación de dos números (A, B) de N bits:

• Almacenamiento de los 22*N resultados posibles en unamemoria ROM y utilizar los 2*N bits para el direccionamiento.

• Calcular los 2N funciones lógicas y realizar la sumacorrespondiente.

• En base a la codificación anterior optimizar teniendo en cuentauna relación de dependencia entre los números A y B y elresultado M.

76

Multiplicador

• La multiplicación consiste en una serie deoperaciones AND entre los distintos bits y una seriede sumas.

• Se requieren de 2N compuertas AND.• Se requiere de N sumadores de N bits• Problema: Extensión del signo.• Problema: Tratamiento del signo del operando B.

77

Multiplicación

78

AA*B

B

A codificado

(+/-)(A/N)2 i+

X

A

B

A3 A2 A1 A0

B3 B2 B1 B0

A/0

A/1

A/2

A/3

R= Bi A 2 i

Codificación de los productos parciales

ADGG / LFGP 79

a3 a2 a1 a0

a3 b0 a2 b0 a1 b0 a0 b0 b0

a3 b1 a2 b1 a1 b1 a0 b1 b1

a3 b2 a2 b2 a1 b2 a0 b2 b2

a3 b3 a2 b3 a1 b3 a0 b3 b3

M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0

Arreglo de compuertas AND

Multiplicación

80

A3 A2 A1 A0

B0

B1

B2

B3

A0/0A1/0A2/0A3/0

A0/1A1/1A2/1A3/1

A0/2A1/2A2/2A3/2

A0/3A1/3A2/3A3/3

Matriz de sumas

M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0

Multiplicación

81

HA

A1/0A0/1 A0/0

FA

A1/1 A2/0

A0/2

A1/3

A1/2

A2/1 A3/0A3/1

A2/2

A0/3A2/3

A3/2

A3/3

M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0

FAHA

HAFAFAFA

HAFAFAFA

Multiplicación

• Si suponemos que todos los productos intermedios se calculan en untiempo T, y que cada sumador realiza su operación en un tiempo ts,el resultado para una multiplicación de dos números de N bits seráigual al número de operadores de suma que compone el caminocrítico:

• Total de células sumadoras: 12 (8 FA, y 4 HA)

• CAMINO CRÍTICO: 10 (8 FA, 2 HA)

82

Multiplicación

83

HA

A1/0A0/1 A0/0

FA

A1/1 A2/0

A0/2

A1/3

A1/2

A2/1 A3/0A3/1

A2/2

A0/3A2/3

A3/2

A3/3

M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0

FAHA

HAFAFAFA

HAFAFAFA

Multiplicación

•Descripción de la multiplicación sin signo en dos bloques:

84

Codificador A/N

A3 A2 A1 A0

B0

B1

B2

B3

Sumatoria de A/N

M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0

Multiplicación de números con signo

•Multiplicación de números negativos:

• Representación en complemento a 2.

• Si B es negativo, entonces el último producto parcial seobtiene con el complemento a 2 de A:

• B3*23*(/A+1) = 23*(B3*/A+B3)

• En este caso si B3=‘1’ se realiza el complemento a 2 y el ajuste.

• Si B3=‘0’ el producto parcial es cero y no hay ajuste.

85

Extensión de signo (Si B es negativo)

86

A3 A2 A1 A0

B0

B1

B2

B3

A0/0A1/0A2/0A3/0

A0/1A1/1A2/1A3/1

A0/2A1/2A2/2A3/2

A0/3A1/3A2/3A3/3

Matriz de sumas

M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0


•Multiplicación de números negativos:

• Si A y B son negativos, se representan en ‘2 y se expande el resultado de cadaproducto intermedio copiando el MSb. También se aplica el ajuste anterior (Bnegativo)

• Si sólo A es negativo solamente se expande el resultado de cada productointermedio copiando el MSb.

87

Multiplicación

•Realice los siguientes ejercicios:

88

0 1 0 1 (5)

X 0 1 1 0 (6)

1 1 0 1 (-3)

X 0 1 0 1 (5)

1 0 1 1 (-5)

X 1 0 1 0 (-6)


•Solución de los ejercicios:

89

1 1 0 1 (-3)

X 0 1 0 1 (5)

1 0 1 1 (-5)

X 1 0 1 0 (-6)

0 0 0 0

0 1 0 1 -

0 1 0 1 - -

0 0 0 0 0 0 -

1 1 1 1 1 0 1

1 1 1 0 1 - -

0 0 0 0 - - -

1 1 1 0 0 0 1 (-15)

0 1 0 1 (5)

X 0 1 1 0 (6)

0 0 0 0 - - -

0 0 1 1 1 1 0 (30)

0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 0 1 1 -

0 0 0 0 0 - -

0 1 0 1 - - -

0 0 1 1 1 1 0 (30)

Complemento a 2

Extensión de signo


•Efectuar el corrimiento hacia la izquierda y extensiónde signo.

•El último operando se representa en complemento a 2de A si B es negativo (MSB = ‘1’), en otro caso, elúltimo operando es cero:

•Físicamente, la implementación consiste encomplementar el operando A y sumar el término:

90

11

11

1 212

NN

NN

N bAbAbA

1

12

N

Nb


91

a3 a2 a1 a0

-a3 b0 a2 b0 a1 b0 a0 b0 b0

-a3 b1 a2 b1 a1 b1 a0 b1 b1

-a3 b2 a2 b2 a1 b2 a0 b2 b2

-a3 b3 a2 b3 a1 b3 a0 b3 b3

b3

M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0


92

A3 A2 A1 A0

B0

B1

B2

B3

A0/0A1/0A2/0A3/0

A0/1A1/1A2/1A3/1

A0/2A1/2A2/2A3/2

A0/3A1/3A2/3A3/3

Matriz de sumas

M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0

A3/0

A3/1

A3/2

23B3


• La codificación de los productos parciales se realizaen paralelo.

• La suma del término: se realizará en elarreglo sumador.

•El camino crítico se compone de una AND y unacompuerta NOT.

• La velocidad del multiplicador dependerá en granmedida del bloque de sumas

93

1

12

N

Nb

Multiplicación

•Para acelerar el resultado de la multiplicación sedebe optimizar el camino crítico, es decir, el caminomas largo que deben recorrer las entradas A y Bpara generar el resultado M.

•En este caso, todos los productos intermediosestarán calculados al mismo tiempo por lo que norepresentan parte del camino crítico.

•El camino crítico estará definido por la suma deproductos intermedios mas grande.

94

Multiplicación

•Con el fin de acelerar la suma de multi-operandos,es mas conveniente optimizar desde el punto devista de la palabra (y no del bit).

•El incremento de velocidad de cálculo usando estemétodo no implica necesariamente aumentar lacomplejidad material debido a que el número de FAes fijo.

•Solo si se requiere optimizar velocidad, ladimensión de bit (columna) será considerada.

95

Multiplicación

•Estructura de sumas de 3 bits:• Estrictamente hablando, un FA realiza una suma de 3 bits ( A, B, Cin) y nos

arroja un resultado sobre 2 bits ( S, Cout).

•Al analizar la estructura del multiplicador podemosdarnos cuenta de que un operador de suma de 3 bitspodría reducir la complejidad material (CSA).• Ejemplo: suma de A2/0, A1/1, A0/2

96

Carry Save Adders (CSA)

• En un CSA, el carry no es usado en la suma que le corresponde sino quese sumará en el renglón siguiente.

• El CSA puede ser aplicado en todos los renglones excepto en el último,en donde se requiere de un sumador rápido que procese el carry finalmediante un sumador rápido o de vector resultante.

• Ventajas:• Las sumas para posiciones de bit distintas dentro del mismo renglón son

independientes entre ellas y generan un carry en paralelo.

• Al optimizar el desempeño de la suma se optimiza de forma directa eldesempeño del multiplicador.

97

Carry Save Adder

•Se tiene el siguiente esquema:

98

A3

B3

S3

C3

Co3FA

A3

B3

S3

C3

Co3FA

A3

B3

S3

C3

Co3FA

A3

B3

S3

C3

Co3FA

N

N

N

N

NC.S.A

A

B

C

Co

S

A+B+C=S+2 CY

Carry Save Adder

• Si el Ripple Carry Adder • CY0 = C1; CY1 = C2; CY2 = C3

• El CSA realiza la suma de 3 operandos (A, B y C) y entrega 2 resultados:

• Una palabra de suma, S, del mismo orden 2i

• Una palabra de carry, CY, de orden 2i+1

99

A+B+C=S+2 CY

Carry Save Adder

• Lógica redundante (suma de 3 palabras de N bits):

100

X + Y + Z

r = 1 0 0 0 0 0 0 1 1

Z= 0 0 1 0 0 0 1 0 1

X= 0 0 1 0 1 0 1 0 1

Y= 0 1 0 1 0 1 1 1 0

R= 1 0 1 0 0 1 0 0 0

X + Y + Z

X= 0 0 1 0 1 0 1 0 1

Y= 0 1 0 1 0 1 1 1 0

Z= 0 0 1 0 0 0 1 0 1

S= 0 1 0 1 1 1 1 1 0

C= 0 0 1 0 0 0 1 0 1

R= 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0

Suma

carry

Carry Save Adder

101

Multiplicación usando un CSA:

0 1 0 0 1

x 1 1 1 0 1

0 1 0 0 1

0 0 0 0 0

0 1 0 0 1

0 1 0 0 1

1 0 1 1 1

A=9

B=-3

A1=A

A2=0

A3=A

A4=A

A5=-A

0 1 0 0 1

+ 0 0 0 0 0

+ 0 1 0 0 1

0 1 0 1 1 0 1

+ 0 0 0 0 0 0 0

+ 0 1 0 0 1

0 1 1 0 0 1 0 1

+ 0 0 0 0 1

+ 1 0 1 1 1

1 0 0 0 0 0 1 0 1

+ 0 1 1 1

1 1 1 1 0 0 1 0 1

A1

A2

A3

S1

CY1

A4

S2

CY2

A5

S3

CY3

R=-27

Principio del CSA:

• Diseño de una estructura basada en un FA que cuenta el número de ‘1’s de una palabra de 8 bits.

• Solución: Controlar los corrimientos hacia la izquierda (potencias de 2) generados durante la suma multi-operandos.

102

FA

FA

FA

FA

HA

HA

HA

000

000

0

0

000

0

0

0

1

0

1

11

1 1

1

2

2

0

1

2

3

CSA

•Utilización de CSA para una suma de N operandos:• Suma en serie:

103

CSA CSA CSA CSA SUMADOR

RÁPIDO

A1

A2

A3

CSA

A4 A5 A6 A7

CSA

•Utilización de CSA para una suma de N operandos:• Suma en paralelo:

104

CSA CSA CSA CSA SUMADOR

RÁPIDO

CSA

CSA

CSA

A1A2A3

A4A5A6

A7A8A9

Sumador Rápido

• El sumador rápido o de vector resultante puede ser implementado con un carry Save Adder o on un Ripple Carry Adder de forma indistinta.

• Ejemplo de un Carry Save VMA (Vector Merging Adder):

105

HA

HA

HA

HA

HA

HA

HA

HA

HA

HA

A0

A1

A2

A3

Sumador Rápido

• VMA implementado con un Ripple Carry Adder:

106

HAFAFAFA

A0A1A2A3

Sumador Rápido

• Mezcla de las 2 arquitecturas:

107

HAFAHAFA

A0A1A2A3

HAHA

Multiplicación con CSA

• En la suma CSA, la propagación se realiza solo en la dimensión de la palabra (renglón)

• Propagación en el sentido de las columnas se realiza al final usando el vector resultante.

108

Multiplicación con CSA

• La velocidad (considerando un arreglo en árbol):• Tp (árbol) + Tp (sumador rápido) log(1.5N) + Tp(sumador rápido)

•Tamaño (considerando estructura en árbol):• Se requere (N-2) CSA.

• La técnica usando CSA ofrece el mejor compromiso de Velocidad/Tamaño para la suma multi-operandos.

109

Multiplicador Serie-Paralelo

• La Multiplicación puede ser re-estructurada en base a operaciones simples a realizarse de forma sucesiva o iterativa.

•Esto permite reducir drásticamente la complejidad material del circuito.

•Arquitectura Serie-Paralelo:• Multiplicar el operando “A” con cada bit del operando “B”

• Recorrer hacia la izquierda cada producto parcial

• Acumular los productos parciales conforme se generan

• Utilizar un circuito síncrono para controlar el proceso

110


111

0 1 1 0

x 1 0 1 0

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 1 0

0 0 0 0 0

1 0 1 0

1 0 1 1 1 0 0 (-36)

Operando “A”

Operando “B”

“A” x B0

“A” x B1

“A” x B2

“A” x B3

Shift a la

Izquierda según

la potencia de n2

que corresponda

a cada bit de “B”

El resultado es producto de una suma de todos los productos parciales


112

0 1 1 0

x 1 0 1 0

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 1 0

0 0 0 0 0

1 0 1 0

1 0 1 1 1 0 0 (-36)

0 1 1 0

x 1 0 1 0

0 0 0 0 Shift

0 0 0 0 Add

+ 0 1 1 0 Shift

0 1 1 0 0 Add

+ 0 0 0 0 Shift

0 0 1 1 0 0 Add

+ 1 0 1 0 Shift

1 0 1 1 1 0 0 ADD


113

0 1 1 0

x 1 0 1 0

0 0 0 0 Shift

0 0 0 0 Add

+ 0 1 1 0 Shift

0 1 1 0 0 Add

+ 0 0 0 0 Shift

0 0 1 1 0 0 Add

+ 1 0 1 0 Shift

1 0 1 1 1 0 0 ADD

Producto parcial = 0

Producto parcial = A

Producto parcial = 0

Producto parcial = A

Arquitectura del circuito

114

Fast Adder

MUX

Shift / Accumulation Register

A0

(serial)B


• El multiplicador Serie-Paralelo es un circuito secuencial

• La arquitectura consiste de:• Un multiplexor:

• Producto Parcia = 0, si Bn = ‘0’

• Producto Parcial = A, si Bn = ‘1’

• Sumador: suma la salida del multiplexor (A ó 0) que corresponde al producto parcial Bn con el contenido del registro (Producto Parcial previamente acumulado correspondiente a Bn-1)

• Shift / accumulation register: Almacena el resultado en el acumulador y realiza el corrimiento (shift)

• En lugar de hacer corrimientos hacia la izquierda (como se haría en la multiplicación normal) se hace un corrimiento a la derecha del contenido del acumulador

115

Diseño del circuito

•Requerimientos para un multiplicador de n-bits• Un registro de n-bits para el multiplicando• Un registro de n-bits para el multiplicador• Un registro de corrimiento para el producto de 2n-bits

• El registro del producto también se usa como registro acumulador para almacenar las sumas de los productos parciales conforme son generados

• IDEA: al usar una arquitectura iterativa de este tipo, el corrimiento dentro del registro de 2n-bits es hacia la derecha.

• ¿explique porqué?

116


Adder Control

(FSM)

Multiplicand (A)

Multiplier (B)Accumulator

Shift sense

CLK

CLK

Ad

M

Sh

C Start

117

Ad : Add enable signalSh : Shift enable signalC : Carry out signalM: Multiplier bit

Arquitectura del circuito: Ejemplo

• Multiplicar 13x11 = 143 (“1101” x “1011”= “10001111”)

118111100010final) (ResultadoShift

111110001sumar de Después

10111)Men A"" (

M111100100Shift

0)Men suma de (Salto

M011110010Shift

101111001sumar de Despúes

10111)Men A"" (

M101101100Shift

110110110sumar de Después

10111)Men A"" (

M110100000registro del inicial Contenido

Línea divisoria entre el producto y el multiplicador


• Pseudo-código

A, B son los operandos (n bits)

P es el registro en donde se almacenará el producto final

P = 0; // inicialización

for i=0 to n-1 do

if bi = 1 then

P = P + A;

end if;

left-shift A;

end for;

• Máquina de Estados

119

Desempeño:

•El cálculo de la multiplicación a través de un arreglo serie-paralelo es más pequeño que un multiplicador paralelo tradicional• Serie-paralelo: una multiplicación en B ciclos de reloj

• Paralelo: una multiplicación por ciclo de reloj

•Sin embargo, el camino crítico es mas pequeño en el arreglo serie-paralelo El circuito puede operar a frecuencias de reloj superiores

120

División

• La división, como todos sabemos, es una serie de divisiones sucesivas.

• El objetivo es ver, para A/B cuantas veces cabe el número B en A. O en otras palabras por qué número tengo que multiplicar B para obtener A.

• Se obtiene un cociente y un residuo.

121

Principio del algoritmo:

122

Cociente

001100011001

11110000

1001

1001

10001

1001

00001

1001

0111

101

Divisor Dividendo

Residuo

Pseudo-código

Residuo = 0;

for i=0 to n-1 do

Left-shift (Residuo & Dividendo);

if Residuo ≥ Divisor then

Cociente(i) = 1;

Residuo = Residuo - Divisor;

else

Cociente(i) = 0;

end if;

end for;

5

54

05

9

0419

51

Architectura

• La división es vista como una serie de restas y corrimientos

•En lugar de recorrer hacia la derecha el divisor después de una resta, se recorre a la izquierda

•En lugar de usar un registro separado para almacenar el cociente, éste será generado bit a bit e introducido por la orilla derecha del registro del dividendo en cada corrimiento a la izquierda

123

División

• Ejemplo:

124

1 1 0 1 0 0 0 1 01 1 0-

1 0 10 0 0-1 0 1 0

1 1 0-

1 0 0

1 0 1

Compara

Residuo

Resta

Cociente

Resta

Divisor

•Circuito:

125

Subtractor and

Comparator

Dividend register

Divisor register

0

control

Start

clk

rst

ShSub

C

Ov (optional)

La señal “C” indica si el

divisor es mayor al

conjunto de bits del

dividendo con los que

fue restado, y va

conformando bit a bit el

cociente

C = 0, no resta

C = 1, resta

Ejemplo de la operación:

5111101010Shift

111010100resta la de Después

110011)Cen divisor (-

4111001110Shift


1C10011)Cen divisor (-

3110000001Shift


1C10011)Cen divisor (-

2100010001Shift


1C10011) Cen divisor (-

1000110001Shift

0C10010)Cen resta(Saltar

0001100010dividendo del registro del inicial Contenido

t

C

t

t

t

t

t

126

Dividir:

10001100/1001

Q= 1111 R=101

CocienteResiduo

Diseño de Operadores Aritméticos - …homepage.cem.itesm.mx/garcia.andres/PDF201411/Aritmetica(Basis).pdf · Algoritmos de procesamiento digital de señales •Los algoritmos de

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