Введение к работе
Актуальность, Функциональное диагностирование решает задачу обнаружения характерных неисправностей объектов ко}ггроля при ігх первом проявлении. Объекты контроля - современные вычислительные устройства (ВУ), отличаются высокой производительностью, обеспечиваемой с использованием матричного и конвейерного параллелизма вычислений, и широким диапазоном представления чисел в формате с плавающей точкой. Функциональное диагностирование ВУ традиционно и эффективно выполняется контролем по модулю т, который уже при т=3 обеспечивает высокую обнаруживающую способность, достаточную для решения указанной задачи для широкого круга ВУ. Схема встроенного контроля по модулю (СВК) вычисляет по операндам контрольный код результата, который сопровождает результат далее и формирует код выходного контроля, устанавливая соответствие результата и его контрольного кода. Входной контроль операндов рассматривается как выходной контроль результатов предыдущих операций, для которых эти операнды являются результатами, хотя исказить операнды могут и неисправности (по входам) данного ВУ. Организация выходного контроля без учета входного контроля ВУ ограничивает множество решений по разработке СВК. Эффективность схемных решений по контролю определяется относительными затратами оборудования и времени на контроль в сравнении с основным устройством. Большая доля контрольного оборудования ограничивает возможности использования как СВК, так и самого ВУ. Основное требование к быстродействию СВК - обеспечение одновременной выдачи результата и его контрольного кода. Недостаточное быстродействие СВК ограничивает быстродействие основного устройства, снижая его производительность дополнительной задержкой результата и добавляет оборудование на реализацию этой задержки. Избыточное быстродействие СВК по отношению к его ВУ может быть обменяно на экономию оборудования на уровне реализации элементов СВК путем их выполнения по более простым и медленным схемам. Например, основной элемент СВК - сумматор по модулю три может быть выполнен в быстродействующем варианте на шести участках базового матричного кристалла или на двух участках при троекратно сниженном быстродействии. Наиболее значительны относительные затраты оборудования и времени на контроль в одно-тактных матричных и поразрядных конвейерных ВУ с плавающей точкой. Основная часть затрат контролируемого ВУ приходится на обработку мантисс, осуществляемую по методам сокращенного выполнения операций. Использование этих методов почти вдвое снижает затраты оборудования и повышает быстродействие однотактных матричных ВУ и производительность
поразрядных конвейерных ВУ, одновременно увеличивая затраты оборудования и время вычислений в СВК. Известный подход к контролю умножителей с сокращенным выполнением операций, основанный на разбиении матрицы конъюнкций произведения на фрагменты, позволяет проектировать экономичные СВК однотактных умножителей, но накладывает ограничения на структуру свертки операндов, которая в известных решениях выполняется по медленным цепочечным схемам, вносящим основную задержку в контрольные вычисления. В поразрядных конвейерных умножителях ограничения приводят к формирования контрольного кода результата лишь к завершению процесса выдачи результата. В однотактном сумматоре с плавающей точкой проблема быстродействия СВК также связана с организацией свертки мантисс операндов в сокращенной операции сдвига и решается в отрыве от возможностей входного контроля. Таким образом, разработка методов проектирования зкономігчньгх, быстродействующих СВК ВУ с плавающей точкой, выполненных с учетом возможностей комплексного использования средств входного и выходного контроля является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования СВК ВУ с плавающей точкой, основывающихся на распараллеливании контрольных вычислений с комплексным использованием средств входного и выходного контроля и обеспечивающих повышенное быстродействие проектируемых СВК без увеличения затрат оборудования.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Исследование известных решений по контролю ВУ с сокращенным выполнением операций, возможностей распараллеливания контрольных вычислений и комплексного использования средств входного и выходного контроля для повышения быстродействия, без увеличения затрат оборудования.
-
Распараллеливание цепочечных схем свертки операндов с использованием средств входного контроля и разработка метода проектирования экономичной быстродействующей СВК однотактного сумматора с плавающей точкой.
-
Разработка нового класса разбиений усеченной части матрицы конъюнкций произведения и на его основе метода проектирования экономичной быстродействующей СВК поразрядного конвейерного умножителя с плавающей точкой.
-
Разработка нового класса разбиений отсеченной части матрицы конъюнкций произведения и на его основе метода проектирования экономичной быстродействующей СВК однотактного умножителя с плавающей точкой.
На зашиту выносятся следующие результаты работы:
-
Метод проектирования СВК однотактного сумматора с плавающей точкой.
-
Метод проектирования СВК поразрядного конвейерного умножителя с плавающей точкой.
-
Метод проектирования СВК однотактного умножителя с плавающей точкой.
Методы исследований базируются на прикладной теории цифровых автоматов, теории помехоустойчивого кодирования, теории чисел, элементах теории алгоритмов и математической логики.
Научная новизна работы :
-
Определены возможности комплексного использования средств входного и выходного контроля для распараллеливания контрольных вычислений без увеличения затрат оборудования и предложен метод проектирования СВК однотактного сумматора с плавающей точкой, обеспечивающий повышение быстродействия СВК при сохранении затрат оборудования на уровне известных экономичных решений.
-
Предложен новый класс разбиений усеченной части матрицы конъюнкций произведения и на его основе метод проектировашгя СВК поразрядного конвейерного умножителя с плавающей точкой, в котором комплексное использование средств входного и выходного контроля обеспечивает повышение быстродействия и снижение затрат оборудования.
-
Предложен новый класс разбиений отсеченной части матрицы конъюнкций произведения, обеспечивающий организацию входного и выходного контроля на базе быстрой пирамидальной схемы свертки мантисс-операндов, и на его основе метод проектирования СВК однотактного умножителя с плавающей точкой с повышением быстродействия СВК без увеличения затрат оборудования.
Практическая ценность. Разработанные методы проектирования СВК ВУ с плавающей точкой позволяют решать задачу функционального диагностирования производительных ВУ, работающих в широком диапазоне представления чисел, со сниженными относительными затратами оборудования и времени на контроль, что расширяет возможности использования СВК и контролируемых ВУ.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс в ОГПУ в курсе «Диагностика компьютерных систем», читаемом студентам специальности 6.09.15. В СПКБ «Дискрет» принят к использованию программный пакет, выполняющий проектирование СВК однотактного
умножителя с плавающей точкой по разработанному в диссертационной работе методу.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях студентов и молодых исследователей ОГПУ (1994-1996 г.г.), на восьмой международной школе-семинаре по диагностике и отказоустойчивости в технике (Алушта, 1996), а также на Европейской конференции проектирования и тестирования ED&TC 96 (Париж, 1996).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 7S наименований, 38 рисунков, изложенных на 173 листах машинописного текста, а также 16 приложений.