Введение к работе
Актуальность. Развитие современного общества требует обработки огромного количества информации в реальном масштабе времени в различных областях науки и техники, включая радиолокацию, сейсмографию, связь, медицину и т.д. Поэтому актуальным является создание высокопроизводительных цифровых процессоров, способных решить данную проблему.
Наряду со значительными успехами, достигнутыми в области массовой обработки информации в двоичной системе счисления (СО, еще недостаточно исследованы возможности, связанные с оптимизацией способов представления массивов числовых данных (МЧД). Имея превосходство по ряду критериев, двоичная СС содержит и недостаток, связанный с наличием "длинных" межразрядных переносов, влияющих на быстродействие выполнения арифметических операций. Поэтому вопросы использования новых СС продолжают оставаться предметом постоянных исследований, так. представляется целесообразным использование в современных ЭВМ не только двоичной, но и других СС или даже комплекса систем счисления, что служит дополнительным резервом роста производительности ЭВМ.
С этой точки зрения вызывает повышенный интерес знако-разрядная (Sign Digit) СС. отличающаяся ограниченным пробегом мекраэрядных' переносов при сложении" чисел. Существенный вклад в теорию знакоразрядных вычислений внесли, например, американские ученые А.Авидзенис и І. Баньковский. В России вопросами применения знакоразрядной СС в матричных вычислительных устройствах и- микропроцессорах занимались Каляев А.В,, Гузик В.Ф., Тентиева С.М.. Станишевский О.Б. и др.
Другим мощным средством ускорения процессов вычиоления является их распараллеливание. С этой точки зрения представляется целесообразной разработка арифметических узлов' ЭВМ, ориентированных на параллельную реализацию n-арной операции суммирования. Степень значимости указанной операции отмечена в работах И.В.Прангишвили. Я.И.Фета, Б.Н.Малиновского, В.Муртафа, о.Г.Кокаева и др. Отсутствие в настоящее время таких узлов приводит к необходимости организации попарной обработки операндов, что снижает производительность ЭВМ.
_ 4 -
В данной работе предлагается совместное использование указанных перспективных направлений. Получает дальнейшее развитие теория построения высокопроизводительных процессоров, функционирующих в двоичной и знакоразрядной СС и содержащих арифметические узлы, выполняющие операцию параллельного суммирования чисел с использованием разрядно-параллельно-го способа обработки.
Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании алгоритмических и структурных способов повышения производительности арифметических устройств ЦВМ и специализированных процессоров на их основе за счет совместного использования знакоразрядной системы счисления, пазрядно-парал-лельных представлений операндов и методов группового суммирования.
В соответствии с поставленной целью основные задачи работы формулируются следующим образом:
совершенствование способа, алгоритмов и структур группового суммирования операндов в двоичной СС;
выбор системы кодирования и развитие алгоритмических основ знакоразрядной системы счисления;
разработка алгоритмов и структур прямых и обратных преобразований числовой информации из одной СС в другую;
разработка и. исследование алгоритмов и структур разряд-но-параллельных арифметических устройств ЦВМ (сумматоров, умножителей). Функционирующих в знакоразрядной СС;
разработка алгоритмов выполения основных элементарных функций в знакоразрядной СС;
решение задач преобразования информации в реальном времени (на примерах преобразований Фурье, Уолша и Хаара);
оценка эффективности разработанных структур.
Предметом исследования являются алгоритмические и структурные способы повышения производительности з^л.ентной базы ЦВМ на основе разрядно-параллельных вычислений в знакоразрядной СС.
Методы исследования базируются на использовании основных положений теории чисел, теории алгоритмов, алгебры логики, теории матриц и теории вычислительных систем.
Научная новизна определяется развитием теории построе-
ния двоичных и знакоразрндных арифметических процессоров на основе разрядно-параллельных вычислений и многовходовых сумматоров.
На защиту выносятся следующие результг і:
способ организации арифметических узлов ЦВМ в знакораз-рядной системе счисления;.
способ разрядно-параллельной обработки массивов числовых данных в двоичной и SD системах;
структуры параллельных процессоров обработки изображений реального времени;
алгоритмы и структуры устройств разрядно-параллельного вычисления элементарных функций и решения систем уравнений в знакоразрядной СС;
Практическая ценность. Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной тематики Дагестанского государственного технического университета "Математические и технические аспекты организации массовой обработки числовой информации в процессорных элементах с изменяемой системой счисления" (1992-1995 .гг.) в соответствии с Приказом N 520 от 10.-08.92 г. Госкомитета по высшей школе (регистрационный номер 1.7.92).
Практическими результатами'работы являются;
структуры устройств параллельного суммирования в двоичной и знакоразрядной системах счисления, позволяющие значительно ускорить реализацию широкого класса арифметических выражений;
структуры устройств умножения с использованием параллельных знакоразрядных сумматоров на два и более операндов;
структуры прямых и обратных преобразователен числовых данных из одной системы счисления в другую;
процессорные элементы для реализации- элементарных функций, предложенные на основе разработанных методов параллельного суммирования и разрядно-параллельного представления по схемам Пухова и Волдера;
устройства для выполнения преобразований Б1ы?. ДПФ, Уолша и Хаара на основе разработанных процессорных элементов.
Предложенные в рабо ,> структуры арифметических устройств и преоб; ізователей числовой информации, а также процес-
сорные элементы, реализованные на основе ШШ и ПЗУ, могут быть использованы для проектирования быстродействующих вы-, числительных систем.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: итоговых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского оостава Дагестанского государственного . техні іеского университета. Махачкала, 1993-1996 гг.; Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов Северного Кавказа "Методы и средства обработки сигналов" (Таганрог, 1993 г.); Международном симпозиуме "Проблемы рационального природопользования и обеспечения экологический и экономической безопасности Прикаспийского региона" (Каспий-Балтика'95". Санкт-Петербург, 1995 г.); 5-ой и 6-ой Международных конференциях по компьютерной графике и визуализации (г.Санкт-Петербург: 1995,1996г.); Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения" (Махачкала, 1995 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Информационно-управляющие системы и специализированные вычислительные устройства для обработки и передачи данных" (Махачкала, 1995).
Публикации, По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 отатьл и 7 тезисов докладов.
Структура и оръем работы. Диссертационная работа состоит из введения. 4 глав, заключения и срока литературы, общий объем диссертации -171 стр. Она изложена на 137 страницах основного машинописного текста, содержит 42 рисунка. 25 таити, и включает библиографию из 198 наименований.
