5 Verarbeitungsschaltungen

Transkript

1 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 1 5 Verarbeitungsschaltungen Häufig genutzte Funktionen gibt es als fertige Bausteine zu kaufen. 5.1 Addierer logische Schaltungen zur Addition zweier Dualzahlen Alle Grundrechenarten lassen sich auf die Addition zurückführen. Daher ist der Addierer die Grundschaltung für alle arithmetischen Operationen Halbaddierer Addition zweier einstelliger Dualzahlen Summe (S) und gegebenenfalls Übertrag (Ü): A B S Ü Disjunktive Normalformen für S und Ü: S = A B + A B = A B Ü = A B

2 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Volladdierer Addition zweier mehrstelliger Dualzahlen, das bedeutet, dass zusätzlich ein vermeintlicher Übertrag aus einer niederwertigen Stelle (Ü 1 ) berücksichtig werden muss. Summe (S) und gegebenenfalls Übertrag (Ü 2 ): A B Ü 1 S Ü A B Ü1 V A S Ü2 Dementsprechend ergibt sich die folgende Schaltung: Eine weitere Möglichkeit einen Volladdierer aufzubauen bietet die Verknüpfung zweier Halbaddierer.

3 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Serien-/Parallel-Addierer Die Addition mehrstelliger Dualzahlen kann sowohl bit-seriell als auch bit-parallel erfolgen Serienaddierer Serienaddierer: schrittweise Addition der einzelnen Stellen unter Berücksichtigung des Übertrags aus der vorherigen Stelle zur Addition beliebig langer Datenworte mit nur einem Volladdierer. Volladdiererschaltnetz + Schieberegister zum Zwischenspeichern der Summanden, des Übertrages und der Ergebniszahl. Laden Lesen

4 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Paralleladdierer Eine Verkürzung der Verarbeitungszeit lässt sich durch bitweises Parallelschalten von Addierern erreichen. Beim Paralleladdierer ist für die Verknüpfung jedes Summandenbits bzw. Ergebnisbits gesondert je ein Volladdierer bereitgestellt. Unter Verwendung des Akkumulatorprinzips ergibt sich folgende Schaltung:

5 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 5 Ripple-Carry-Addierer A 3 Ü 2 A 2 Ü 1 A 1 Ü 0 A 0 VA VA VA HA Ü 3 S 3 B 3 S 2 B 2 S 1 B 1 S 0 B 0 Eine mögliche Lösung besteht in der Vorausberechnung des Übertrags durch Berechnung der Überträge in allen Stellen mit allen Eingangsgrößen (Carry-Lookahead-Addierer) gleichzeitig. Zweistellige Addition (ohne Ü 0 ) A 0 B 0 A 1 B 1 S 0 S 1 G 0 =Ü 1 G 1 +P 1 G Ü 2

6 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Kombinierter Addierer / Subtrahierer

7 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 7 Wiederholung: JK-FF n 1 J K Q + Funktion 0 0 n Q Speichern Rücksetzen Setzen 1 1 Kippen Q n + 1 n J K Q n 1 Q + Q n

8 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Multiplizierer Multiplikation von Dualzahlen kann schaltungstechnisch sowohl seriell als auch parallel erfolgen Serienmultiplizierer Einfachste serielle Methode wäre: Multiplikation auf eine wiederholte Addition zurückzuführen. Dabei wird der Multiplikand so oft addiert, wie es der Multiplikator angibt => sehr zeitaufwendiges Verfahren. Daher wird die Multiplikation durch eine Addition und Verschiebung nach folgendem Algorithmus verwirklicht:

9 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 9 B: , , , , , , , _ , V: 1 1 = 0 Ergebnis: ,010

10 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Parallelmultiplizierer Parallele Multiplizierer werden vorwiegend für sehr schnelle Multiplikationen verwandt. Meist Anwendung des Verfahrens der gleichzeitigen, bitweisen Multiplikation, bei dem jede Ziffer des Multiplikanden mit jeder Ziffer des Multiplikators multipliziert wird. Entstehende Einzelprodukte werden entsprechend ihrem Stellenwert einem Addierer zugeführt. Es werden jeweils immer nur zwei Bitstellen multipliziert. Das logische UND-Gatter entspricht in seiner Funktion einem 1*1 Bit Multiplizierer und kann daher zur Berechnung der Einzelprodukte herangezogen werden. Ein Parallelmultiplizierer besteht somit aus UND- Gattern und einem Paralleladdierer. Nachteilig ist, dass die Anzahl der Gatter quadratisch mit der Anzahl der Stellen steigt und dadurch das Addierwerk mit großer Stellenzahl sehr komplex wird. a 2 a 1 a 0 b 0 a i p i b 1 b i & ü i b 2 Σ ü i+1 p i+1 Übertragsverrechnung p 5 p 4 p 3 p 2 p 1 p 0

11 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Vergleicher Vergleichsoperationen zur Verarbeitung der Rechenergebnisse und zur Steuerung des Programmablaufs. A B A>B X A=B Y A<B Z Daraus lassen sich die folgenden Schaltungen ableiten:

12 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Serienvergleicher Voraussetzung: Vorliegen eines Codes mit monoton steigender Wichtung (z.b wie beim Dualcode), da dann das Vergleichsergebnis in jeder höheren Stelle auch über die niederwertigeren Stellen entscheidet. Algorithmus: 1. Bitweiser Vergleich (höchstwertige Stelle), 2. Falls A>B oder B>A => Speichern des Ergebnisses und ggf. Abbruch der Operation, 3. sonst: Schieben um 1 Bit und Wiederholen von 1. & 2. bis zur niederwertigsten Stelle, 4. dort endgültige Entscheidung. T R A B k Bit k Bit Q A Q A Q B Q B S R S R x y z A>B A=B A<B

13 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Multiplexer Multiplexer bestehen aus 2 n Dateneingängen, n Steuereingängen und einem Ausgang. Sie werden eingesetzt, um z.b. parallel anliegende Daten seriell über eine einzige Leitung zu übertragen. S n... S 2 S 1 E 2... MUX n A E 2 n Durchschalten des Eingangs E i auf den Ausgang, wenn sich der Index i bei der Interpretation der Steuereingänge als Binärzahl ergibt.

14 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 14 E0 E1 E2 E3 Mux Z S 1 S 2 Z 0 0 E E E E 3 S1 S2 MUX für n = 2 (2-MUX) E 0 E 1 E 2 E 3 S 1 S 2 Dreistufiges Netzwerk für 2-MUX

15 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 15 E 0 E 1 S 1 1-Mux E 0 E 1 E 2 E 3 S 2 S 2 S 1 2-MUX aus drei 1-MUX

16 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 16 Gegenstück zum Multiplexer ist der Demultiplexer. Seriell ankommende Daten können auf parallele Leitungen aufgeteilt werden. Er hat einen Dateneingang, n Steuereingänge und 2 n Ausgänge. S n... S 2 S 1 E DEMUXn A 1 A 2 E S 1 A 0 A 1 1-DeMux

17 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 17 E S 1 S 2 A 0 A 1 A 2 A 3 2-DeMux Multiplexer und Demultiplexer dienen sowohl der Auswahl von Datenpfaden als auch zur Selektion von Funktionen oder Bausteinen.

18 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Codierer Codierung und Decodierung gehören mit zu den häufigsten Teilaufgaben in der digitalen Datenverarbeitung. Binärcodierte Datenworte werden dabei in einen anderen Code umgeformt. Derartige Codeumformungen lassen sich als Schaltnetze entwerfen. E 1 E 2... ENCODE A 2 E n A m

19 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 19 Das Schaltnetz eines Codierers zur Umsetzung des BCD- Codes in einen 7-Segment-Code sieht z.b. folgendermaßen aus:

20 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 20 Der Decodierer ist die zum Codierer komplementäre Schaltung. Eine Codierer-Schaltung mit einer bestimmten Zuordnung zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen kann nicht als Decodierschaltung für den umgekehrten Übersetzungsprozess verwendet werden, da bei logischen Schaltungen die Richtung des Signalflusses nicht umkehrbar ist. E 1 E 2... DECODE A 1 A 2 E n A m

21 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Logische Verknüpfungen Eine Möglichkeit zur Realisierung logischer Verknüpfungsglieder besteht in einer Anordnung von Gatterbänken aller Verknüpfungsarten, die über Multiplexer angewählt werden. Dies ist die schnellstmögliche Lösung bzgl. der Verarbeitungszeit, erfordert jedoch einen riesigen Gatter- und Verdrahtungsaufwand und ist daher nur sinnvoll bei wenigen unterschiedlichen Verknüpfungen. Eine kompaktere Lösung kann durch ein programmierbares Verknüpfungsnetz geschaffen werden. Im Folgenden wird als Beispiel ein Ausschnitt aus der Arithmetisch-Logischen Einheit (ALU) im logischen Mode vorgestellt. Für 2 Variable existieren: - 4 Belegungsmöglichkeiten und somit - 16 logische Verknüpfungen. Daher reichen ld 16 = 4 Programmierleitungen zur Selektion der Funktionen aus. S o S 1 S 2 S 3 U B X W A

22 5 Verarbeitungsschaltungen Folie 22 Beispiel für verschiedene Belegungen von (S 0 S 1 S 2 S 3 ) S 0 S 1 S 2 S B A U W X U W X U W X B A A A + B A B Versuche folgende Belegungen nachzuvollziehen S 0 S 1 S 2 S A A B "1" A B

23 5 Verarbeitungsschaltungen Folie Schieben und Rotieren Wiederholung: Ringschieber werden durch Schieberegister hergestellt, bei denen die Ausgänge des letzten Flipflops mit den Eingängen des ersten Flipflops verbunden werden. Ein Signal das durch das Schieberegister geführt wird, gelangt somit nach einmaligem Durchlauf wieder an den Anfang zurück. Solch ein Register kann auch als ein Ringzähler verwendet werden. In Rechenwerken wird oft ein bit-weises Schieben benötigt - wahlweise nach rechts oder links, - bei Bedarf höchstwertiger Übertrag in niederwertigstes Bit und umgekehrt (Rotation). Programmierbare Lösung für Richtungsumschaltung: L/R D i-1 D i-1 D i Stelle i