DE2902496A1

DE2902496A1 - Digitale datenmultiplikationsanordnung

Info

Publication number: DE2902496A1
Application number: DE19792902496
Authority: DE
Inventors: Edward J Rasala; Charles J Young
Original assignee: Data General Corp
Current assignee: EMC Corp
Priority date: 1978-01-23
Filing date: 1979-01-23
Publication date: 1979-07-26
Also published as: AU525817B2; IT1110999B; DK3779A; NL7900440A; FR2415337A1; JPS54151338A; IT7919548A0; CH644461A5; SE7900137L; SE432027B; AU4322579A; GB2013007A; US4208722A; BR7900409A; FR2415337B1; GB2013007B; CA1103806A

Description

Digitale Datenmultlpllkationeanordnung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Datenverarbeitungsanordnung und insbesondere auf eine digitale Datenmultiplikationsanordnung, in der arithmetische Operationen unter Anwendung von Gleitkomma-Verfahren durchgeführt werden.

Die Darstellung von Zahlen, Insbesondere von nichtganzzahligen Zahlen, erfordert in Datenverarbeitungsanordnungen die Einführung eines Kommas in die Zahlendarstellung. Es besteht die Möglichkeit, daß die Datenverarbeitungsanordnung die Festkomma-Schreibweise anwendet, bei der das Komma unmittelbar rechts der niedrigstwertigen Stelle oder unmittelbar rechts des Vorzeichenbits vor dem ersten Informationsbit gesetzt wird.

Eine weitere Möglichkeit ist die Gleitkomma-Schreibwelse, in der die Zahl durch ein Vorzeichen, einen Exponenten und eine Mantisse dargestellt wird. Dieses Verfahren ist in vielen Veröffentlichungen beschrieben worden, beispielsweise

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in "Computer architecture" von Caxton C.Forster, Van Nostrand RheinhoMCompany, New York, New York, 1976, Seiten 16 und folgende.

Gleitkomma-Verarbeitungseinheiten sind relativ kompliziert, wenn sie für einen großen Dezimalbereich und für eine erhöhte Genauigkeit ausgelegt sind. Ein Verfahren, das eine relativ gute Flexibilität und eine gute Genauigkeit ergibt und von einigen Vereinfachungen der herkömmlich angewendeten Gleitkomma-Struktur Gebrauch macht, ist in der CA-PS 1 105 065 beschrieben. Diese Struktur ist so ausgelegt, daß zur Durchführung arithemtischerOperationen erste und zweite Operanden verschoben werden, die jeweils erste bzw. zweite Mantissen- und Exponentenwerte aufweisen. Es sind ein Rechenwerk und eine Registervorrichtung zur Erzeugung eines vorgewählten Maßstabsfaktors vorgesehen, damit die Erfordernisse bei der Operandenverschiebung angegeben werden. Es ist eine Maßstabseinrichtung angeschlossen, mit deren Hilfe die Register in einer ersten Richtung seriell geladen werden und die ein Operandeneingangssignal entsprechend dem vorgewählten Maßstabsfaktor einstellt. Zum wahlweisen Verbinden des Registers mit der Maßstabseinrichtung wird eine Schaltvorrichtung verwendet, die ein Schreiben aus dem ausgewählten Register in einer ersten Richtung in seriellex' Weise bewirkt.

Das in der erwähnten kanadischen Patentschrift beschriebene System kann zwar arithmetische Operationen in einem großen Zahlenbereich mit relativ hoher Genauigkeit schnell und zweckmässig durchführen, doch ist die Geschwindigkeit der Mantissenmultiplikation, die Bit um Bit durchgeführt wird, langsamer als es erwünscht ist; es ist daher vorteilhaft, eine schnellere Multiplikationsoperation insbesondere in Datenverarbeitungsanordnungen zu schaffen,

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in denen schnelle Operationen immer größere Bedeutung erlangen.

Eine Verbesserung der Operationsgeschwindigkeit bei der Mantissenmultiplikation in Gleitkommasystemen ergibt sich dadurch, daß die Operation gleichzeitig an vier Bits der Multiplikator-Mantisse im Gegensatz zum Mantissenmultiplikationsverfahren mit einem Bit durchgeführt wird. Die 4-Bit-Mantissenmultiplikation wird in hexadezimaler Notation unter Verwendung entsprechend verbundener Schiebeeinheiten,Rechenwerken und Registern durchgeführt.

Entsprechend diesen Erläuterungen liefert eine Mantissenregisterdatei die Mantisse einer zu multiplizierenden Zahl (den Multiplikanden) zu einem Register,dessen Ausgangssignal mit zwei in geeigneter Weise multiplexierten Paaren von Schiebeeinheiten zugeführt wird, die verschiedene Kombinationen von Mehrfachen dieser Mantisse bilden können. Die Auswahl der Multiplikationsfaktoren wird durch aufeinanderfolgende 4-Bit-Gruppen der Mantisse der zweiten zu multiplizierenden Zahl ( des Multiplikators) gesteuert. Die Ausgangssignale der multiplexierten Schiebeeinheiten werden einem Rechenwerk zugeführt, das diese Signale entsprechend addiert oder subtrahiert, und die Ergebnisse werden in einem Arbeitsregister abgespeichert. Das Ausgangssignal des Arbeitsregisters, das für jede 4-Bit-Multlplikationsoperation ein Teilprodukt darstellt, wird einem zweiten Rechenwerk zugeführt, das kontinuierlich eine Teilsumme der Teilprodukte erzeugt, wenn diese berechnet werden| die Summen werden dann einem Endregister zugeführt.

Die Gesamtoperation ist eine "Pipeline"-Operation, bei der das Arbeitsregister stets das Teilprodukt und das Endregister stets die Teilsumme enthält, die in das zweite

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Rechenwerk zurückübertragen wird, damit eine kontinuierliche Berechnung erfolgen kann.-

Wenn alle 4-Bit-Gruppen des Multiplikators mit der Mantisse des Multiplikanden multipliziert worden sind, wird das Gesamtprodukt im Endregister über einen internen Mantissen-Bus dem Datenverarbeitungssystem und dem Daten-Bus zugeführt, der eine Datenübertragungzwisehen der Verarbeitungsanordnung und der Gleitkommaeinheit ermöglicht.

Die Verwendung von Multiplexern und von Rechenwerken in der geschilderten Weise ermöglicht die Durchführung schneller Multiplikationsoperationen an Gleitkomma-Daten, wobei die Operationsgeschwindigkeit beträchtlich über der bei Multiplikationsverfahren mit einem Bit in bisherigen Gleitkommasystemen erzielten Geschwindigkeit vergrößert werden kann.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein allgemeines Blockschaltbild einer Datenverarbeitungsanordnung, in der die Erfindung angewendet werden kann,

Fig.2 ein Blockschaltbild der Steuerlogik von Fig.1, Fig.3 ein Blockschaltbild der Exponentenlogik von Fig.1, Fig.4 ein Blockschaltbild der Mantissenlogik von Fig.1,

Fig.5 ein genaueres Logikdiagramm eines Teils der Mantissenlogik von Fig.4,

Flg.6 ein genaueres Logikdiagramm .eines weiteren Abschnitts der Mantissenlogik von Fig.4,

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Fig.7'und 8 ein Blockschaltbild, bzw. eine erste Tabelle zur Erläuterung eines Teils der Arbeitsweise der Mantissenlogik von' Fig „4,

Fig.9 ein Blockschaltbild der Decodier- und Steuerlogik von Fig.1 und

Fig.10 eine zweite Tabelle zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Multiplikationsanordnung nach der Erfindung.

Der hier zu beschreibende Gleitkomma-Prozessor (FPP) ist ein eigener Prozessor,, der alle Gleitkomma-Operationen für einen Primär-Prozessor ausführt, obwohl er dem Primärprozessor untergeordnet ist. Der Primär-Prozessor überträgt alle Daten zum oder vom Gleitkomma-Prozessor, der alle notwendigen arithmetischen Operationen durchführt, die unabhängig vom Betrieb des Primär-Prozessors erforderlich sind.

Fig.1 zeigt ein Ubersichtsdiagramm des hier zu beschreibenden Gleitkommaprozessors, sowie die Daten-, Adressen- und Steuersignalwege zum und vom Gleitkomma-Prozessor zusammen mit dem Primär-Prozessor und den Hauptspeichereinheiten einer Datenverarbeitungsanordnung. Wie zu erkennen ist, steht der Primär-Prozessor 10 über den herkömmlichen Daten-Bus 12 und den herkömmlichen Adressenbus 13 mit der Speichereinheit 11 in Verbindung. Entsprechende Steuersignale zur Steuerung des Speicherzugriffs werden ebenfalls auf eigenen internen Übertragungswegen geliefert. Der Gleitkomma-Prozessor 14 steht mit dem Primär-Prozessor und der Speichereinheit ebenfalls über den Daten-Bus und den Adressen-Bus 13 in Verbindung; ferner steht er mit diesen Baugruppen über entsprechende Steuersignalleitungen in Verbindung.

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Der Gleitkomma-Prozessor enthält eine Einheit 15 zur Befehlsdecodierung und zur Steuerung, die Befehle aus einem Gleitkomma-Befehlsregister 16 decodiert und die Arbeitsweise der Exponentenlogik 17 sowie der Mantissenlogik 18 steuert. Die Daten für den Gleitkomma-Prozessor werden vom Daten-Bus über eine entsprechende Schnittstelle 19 gelirfert. Die Ergebnisse der Arbeitsgänge der Mantissenlogik und der Exponentenlogik werden kombiniert und dem Daten-Bus zugeführt, sobald die arithmetischen Operationen durchgeführt worden sind.

Der Gleitkomma-Prozessor enthält eine Kopie des Inhalts der Befehlsregister des Primärprozessors, und er kann einen Befehl puffern, d.h. speichern, während er gleichzeitig den zuvor empfangenen Befehl ausführt. In einer bevorzugten Ausführung kann der Gleitkomma-Prozessor so ausgebildet sein, daß er eine Zykluszeit von 100 ns bei Verwendung mit einem Primär-Prozessor in einer Zykluszeit von beispielsweise 200 ns hat. Der Gleitkomma-Prozessor kann daher für Jeden Mikrobefehl, den der Primär-Prozessor ausführt, zwei Mikrobefehle ausführen. Der Gleitkomma-lProzessor verbleibt in einem Leerzustand, bis in sein Befehlsregister ein Gleitbefehl gelesen worden ist; er arbeitet dann unmittelbar aus dem Primärprozessor, ausgenommen dann, wenn dieser Primärprozessor Daten zum oder vom Gleitkomma-Prozessor überträgt.

Der Gleitkommaprozessor speichert im allgemeinen jeden Befehl, der aus dem Speicher durch das Primär-Befehlsregister abgerufen wird. Wenn der Befehl ein Gleitkomma-Befehl ist, und keine Daten aus dem Speicher benötigt, kann der Gleitkomma-Prozessor, wenn er nicht bereits besetzt ist, den Befehl sofort decodieren und beginnen, die Gleitkomma-Rechenoperation auszuführen, während er den laufenden Befehl ausführt, kann er auch in seinem Befehlspufferregister den nächsten Befehl speichern.

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Die Exponentenlogik 17 enthält entsprechende Register und eine Rechenlogik für Exponentenberechnungen. Diese Exponentenlogik berechnet auch die Normalisierungsfaktoren, und sie steuert eine Mantissenverschiebevorrichtung zur Normalisierung der Mantissenergebnisse. Die Exponentenlogik 17 berechnet auch die für Additionsund Subtraktionsfunktionen notwendigen Verschiebungen. Alle Operationen können allgemein Operationen des Typs sein, die bereits in der oben erwähnten kanadischen Patentschrift beschrieben sind; es ist daher nicht notwendig, sie hier erneut 2U beschreiben.

Die Mantissenlogik 18 enthält entsprechende Register und eine Rechenlogik für Mantissenberechnungen (d.h. die gewünschte Mantissenoperation bei einer Addition, einer Subtraktion, einer Multiplikation oder einer Division).Die Ergebnisse werden dann mit dem von der Exponentenlogik berechneten Faktor normalisiert und im entsprechenden Gleitkommaakkumulator gespeichert.

Die Steuerlogik 15 des Gleitkommaprozessors steht mit dem Primär-Prozessor 10 in Verbindung und steuert die Ausführung der Gleitkommabefehle. Ein Blockschaltbild der Steuerlogik ist in Fig.2 in vereinfachter Form dargestellt. Wie dort zu erkennen ist, enthält diese Steuerlogik einen Steuerspeicher 20, der vorzugsweise als Festspeicher (ROM) ausgebildet ist und 512 Wörter zu je 72 Bits speichert; er enthält die Mikroprogramme, die die gewünschten Gleitkommaoperationen entsprechend den Gleitkommabefehlen durchführen. Ein Steuerpufferregister 21 speichert den gerade ausgeführten Mikrobefehl. Die Ausgangssignale dieses Registers steuern die Funktionen des Gleitkommaprozessors mittels geeigneter Steuersignale," die den Exponenten- und Mantisseneinheiten zugeführt werden. Eine Zustandsänderungslogik

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steuert die Adresse des nächsten Mikrobefehls des Gleitkomma-Prozessora;sie enthält ein Register zum Kopieren eines Teils des Inhalts des Befehlsregisters; dieses Register wird von der Zustandsänderungslogik dazu benutzt, die Operationen des Gleitkommaprozessors zu steuern.

Die Zustandsänderungslogik enthält auch ein Pufferregister zur Speicherung des nächsten Gleitkomma-Befehls, so daß der Gleitkommaprozessor einen Befehl ausführen kann, während er den nächsten speichert. Die Zustandsänderungslogik kann auch von Ergebnissen verschiedener Datentests im gesamten Gleitkomma-Prozessor Gebrauch machen und die Testergebnisse beispielsweise dazu benutzen, die nächste Mikrobefehlsadresse auszuwählen. Die ausgewählte Adresse kann die wahren oder die falschen Adressenfelder, die Befehlsadressen odar eine Adresse aus dem Subröutinen-Adressenregister 23 sein. Die von der Zustandsänderungslogik 22 ausgewählte Adresse ist als Signal RAD 0-8 angegeben; sie adressiert den Steuerspeicher, wie aus der Darstellung erkennbar ist. Die Befehle aus dem Primär-Prozessor werden der Zustandsänderungslogik über den Daten-Bus 12 zugeführt.

Die Exponentenlogik 17 des Gleitkomma-Prozessors ist in Fig.3 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Diese Exponentenlogik hat die arithmetischen Fähigkeiten zur Behandlung von Exponentenberechnungen für alle Gleitkommaoperationen. Diese Fähigkeiten umfassen das Vorzeichen-Bit der Mantisse und des Exponenten, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel durch sieben Bits dargestellt ist. Die Exponentenregisterdateien 30 und 31 enthalten den Exponenten und das Vorzeichen der Mantisse aller Gleitkomma-Zahlen, die sich im Gleitkomma-Prozessor befinden. Zwei Regis-terdateien werden so angewendet, daß zwei Exponenten durch den gleichen Mikrobefehl gemeinsam adresäL ert werden können. Die zwei Registerdateien werden

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durch verschiedene Wählbits adressiert, nämlich die Registerdatei 30 durch die Bits ERAS 0-2 und die Registerdatei durch die Bits ERBS 0-2. Das Exponentenrechenwerk 32 kann zwei Exponenten addieren oder subtrahieren, eine Konstante zum Exponenten addieren, einen Normalisierungsfaktor addieren oder subtrahieren und einen Exponenten vergrößern oder verkleinern. Das Ausgangssignal des Rechenwerks 32 wird in einem Maßstabsfaktorregister 33 gespeichert,, dessen Ausgangssignal (SCL0-7) in die Registerdatei zurückgespeichert werden kann; es ist auch möglich, einen Abschnitt des Ausgangssignals (SCL0-7) dieses Registers dazu zu benutzen, die Mantissen-Links/Rechts-Schiebeeinheit über die Mantissenverschiebungs-Steuereinheit 34 zu betätigen.

Eine Registerwähllogik 35 wählt in den zwei Exponentenregisterdateien und in der Mantissenregisterdatei eines von acht Registern aus, wie noch örläutert wird«

Die Mantissenverschiebungs-Steuereinheit 34 macht von der Information LZD0-3 zur Feststellung vorangehender Nullen oder vom Ausgangssignal SCL4-7 des Maßstabsfaktorregisters Gebrauch, um die Mantisse um 0-15 Hexadezimalstellen nach links oder nach rechts zu verschieben. Eine solche Verschiebung kann in einem Mikrozyklus, d.h. im bevorzugten Ausführungsbeispiel in dem 100 ns-Mikrozyklus des Gleitkomma-Prozessors, durchgeführt werden. Die Mantissenverschiebungs-Steuereinheit 34 kann zum Verschieben der Mantisse, beispielsweise für eine Übertragung zum Speicher unter Anwendung von zwei geeignet verbundenen¹ Schleifenzählern, auch andere Informationen benutzen.

Eine Datenpuffereinheit in der Schnittstelle 19 steuert das Laden von Daten in d#n Gleitkomma-Prozessor, wobei die Daten vom Daten-Bus 12 zur Exponenteneinheit oder zur Mantisseneinheit geleitet werden. Ein weiterer Puffer speichert den Programmzählerstand, wenn im Falle

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eines Fehlers im Gleitkommaprozessor ein Gleitkomma-Befehl empfangen wird. Die Schnittstelle enthält auch Statusregister für den Gleitkomma-Prozessor, die Informationen über den laufenden Status des Gleitkomma-Prozessors speichern.

Die Mantisseneinheit 18 ist im Blockschaltbild von Fig.4 genauer dargestellt; sie führt alle Mantissenberechnungen für den Gleitkomma-Prozessor durch. Die Mantisseneinheit enthält in den Gleitkommaakkumulatoren der Mantissenregisterdatei 41 auch die Speichereinheit für die Mantissenabschnitte aller Gleitkomma-Zahlen im Gleitpunktprozessor. Die Mantisseneinheit wird vom Mikroprogramm und vom Steuerabschnitt des Gleitkommaprozessors gesteuert, der im Zusammenhang mit Fig.2 erläutert wurde. Das Mantissen-Datenpufferregister 40 steuert die Bestimmung der Daten (BOF 0-15) aus dem Datenpuffer an der Schnittstelleneinheit von Fig.3. Diese Daten werden in den richtigen Abschnitt des internen Mantissen-Bus eingegeben (wobei diese Daten hier mit MBUS0-55 ) angegeben sind und im richtigen Gleitkomma-Akkumulator in der Mantissen-Register-Datei 41 gespeichert ( in acht 56-Bit-Registern). Der Datenpuffer 4Θ kann auch in Gegenrichtung arbeiten, indem der erforderliche 16-Bit-Datenabschnitt (MEM 0-15) aus dem Mantissen-Bus auf den Daten-Bus 12 übertragen wird.

Die Mantissen-Registerdatei 41 enthält in einer bevorzugten Ausführungsform acht Datenwörter zu Je 56 Bits; sie wird von der .Registerwähllogik 35 der Exponentenlogik adressiert (siehe Fig.3). Das Ausgangssignal der'Registerdatei 41 wird als Eingangssignal für ein Register 43 benutzt, das als M/Q-Register (Multiplikanden/Quotienten-Register) angegeben ist. Ferner wird das Ausgangssignal zu einer Mantissen-Links/Rechts-Schiebeeinheit 45 übertragen.

Das M/Q-Register 43 wird dazu benutzt, einen der Operanden (Multiplikanden) während einer Multiplikationsoperation zu

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speichern, oder das Ergebnis (den Quotienten) einer Divisionsoperation zu empfangen. Im zuletzt genannten Fall wird das Divisionsergebnis Bit um Bit in das M/Q-Register geschoben, wobei das jeweilige Bit der Übertrag aus einem zweiten Rechenwerk und einem Endregister ist, was noch beschrieben wird.

Ein erstes Rechenwerk 46 und eine multiplexierte Schiebeeinheit 47 benutzen das Ausgangssignal des M/Q-Registers zur Durchführung einer hexadezimalen, vierstelligen Multiplaktionsoperation,.. wie unten noch genau erläutert wird, wobei die Schiebeeinheit von den vier niedrigstwertigen Stellen der Mantissen-Schiebeeinheit 45 (SH52-55). über eine Multiplikator-Steuereinheit 44 gesteuert wird. Das Ausgangssignal des M/Q-Registers 43 wird durch die Schiebeeinheiten 47A, 47B und 47C und 47D um 0,1,2 bzw„ 3 Bits verschoben, wodurch der Multiplikand mit 0,1, 2, 4 oder 8 oder mit Kombinationen dieser Zahlen multipliziert wird. Das Rechenwerk 46 addiert diese verschobenen Werte dann so, daß das Ausgangssignal des Rechenwerks gleich dem Ausgangssignal des M/Q-Registers multipliziert mit dem Paktor 0 bis 15 entsprechend der Hexadezimalschreibweise ist. Ein solches Teilprodukt wird in einem Arbeitsregister 48 gespeichert und zu vorher berechneten Teilprodukten während des nächsten Mikrozyklus addiert.

Das Arbeitsregister 48 enthält das gerade berechnete Teilprodukt aus dem ersten Rechenwerk 46, während einer Multiplikationsoperation» Während einer Divisionsoperation enthält das Arbeitsregister den Nenner. Während einer Additions- oder Subtraktionsoperation enthält dieses Register den Quellenwert.

Ein zweites Rechenwerk 49 und die zugehörige Schiebeeinheit

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machen vom Ausgangssignal des Arbeitsregisters 48 und vom Ausgangssignal eines Endregisters 51 Gebrauch. Das Ausgangssignal des Rechenwerks 49 ist ein Eingangssignal für das Endregister, das diesem über die Schiebeeinheit zugeführt wird. Das Rechenwerk 49 addiert zuvor summierte Teilprodukte, die im Endregister gespeichert sind, zum laufenden Teilprodukt aus dem ersten Rechenwerk 46, und es verschiebt das neue Teilprodukt um vier Bits nach rechts, damit eine Normalisierung erhalten wird.

. Die Mantissen-Links/Rechts- Schiebeeinheit 45 wird von der Schiebesteuereinheit 34 der Exponentenlogik gesteuert (siehe Fig.3). Die Schiebeeinheit kann eine aus 56 Bit bestehende Mantisse nach links oder nach rechts um O bis 15 hexadezimale Stellen innerhalb eines Mikrozyklus verschieben. Die Schiebeeinhdit wird dazu angewendet, die der Mantisse vorangehende Additions- oder Subtraktionsoperation vor-auszurichten; ferner wird sie für eine NachNormalisierung im Anschluß an eine Multiplikationsoder Divisions-Operation benutzt. Außerdem wird sie in der Multiplikationsoperation dazu benutzt, die richtige Hexadezimalstelle zur Steuerung der Schiebeeinheit 47 in die Multiplikationssteuereinheit 44 zu verschieben.

Das Endregister 51 hält nach (jeder Operation die Ergebnisse fest, wobei das Eingangssignal des Endregisters das Ausgangssignal des zweiten Rechenwerks 49 und der zugehörigen Schiebeeinheit 50"oder das Ausgangssignal der Mantissen-Links/Rechts- Schiebeeinheit 45 ist. Ein Ausgangssignal des Endregisters wird auch an den Eingang der Einheit 52 zur Feststellung vorangehender Nullen für die Zufuhr zur Exponentenlogik angelegt (Fig.3). Das Ausgangssignal

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kann zur Übertragung zum Speicher über den Puffer 40 und den Daten-Bus 12 oder zu den Gleitkomma-Akkumulatoren der Mantissenregisterdatei 41 am internen Mantissen-Bus angelegt werden.

Die Detektoreinheit 52 stellt im Endregister Hexadezimalstellen fest, die den Wert 0 haben. Dies ist der vom Exponentenabschnitt benutzte Normalisierungsfaktor, der angewendet wird, den Exponenten des Ergebnisses einzustellen und die Mantissen-Schiebeeinheit zu steuern.

Da die Exponentenlogik (Fig.3) und ihre allgemeine Mikroprogrammsteuerung so ausgebildet sind, wie in der bereits erwähnten kanadischen Patentschrift beschrieben ist, werden Einzelheiten einer solchen Operation, insbesondere bezüglich Additions-Subtraktions- und Divisionsoperationen für den Gleitkomma-Prozessor hier nicht näher erläutert. Ein besonderes Merkmal des hier beschriebenen Gleitkomma-Prozessors befindet sich jedoch in der Mantissenlogik 18, wenn diese Logik eine Gleitkomma-Multiplikation durchführt. Diese Operation wird anschließend unter Bezugnahme auf Fig.4 genauer beschrieben; die genaue Struktur wird im Zusammenhang mit den Figuren 5 bis 10 erläutert, die auch die Tabellen 1 und 2 enthalten»

In den Figuren 5 bis 7 sind Einzelheiten der Baugruppen der Mantisseneinheit von Fig.4 dargestellt« Die Mantissenregister-Datei 41 besteht aus mehreren Achtergruppen aus 56-Bit-Registern, die ein 56-Bit-Multiplikatorwort MFP 0-55 dem vom Datenpuffer 40 empfangenen Dateneingangswort MBUS 0-55 erzeugen. Das Ausgangssignal der Mantissenregisterdatei 41 wird einem Schiebepufferregister 50 zugeführt, das das gemäß dem Mantissen-Verschiebungssteuersignal durch dieR©chtsschiebeeinheit 51 nach rechts oder die Linksschiebeeinheit 52 nach links zu verschiebende Wort (MPR0-55) liefert.

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Zur Durchführung einer Multiplikationsoperation nach der Erfindung wird der Multiplikand nacheinander jeweils gleichzeitig mit vier Bits des Multiplikators multipliziert; der Multiplikand wird dabei vom M/u-Register 43 geliefert. Die Multiplikation des Multiplikanden durch die gerade vorliegenden vier Bits des Multiplikators erfolgt durch die Schiebeeinheit 47, deren Betrieb von der Multiplikatorsteuereinheit 44 gesteuert wird, wie noch erläutert wird. Jeder aufeinanderfolgende 4-Bit-Abschnitt des Multiplikators wird, beginnend mit den niedrigstwertigen Bits am Ausgang der Links/Rechts-Schiebeeinheit 45 der Multiplikatorsteuereinheit 44 zugeführt, die ihrerseits die Multiplikationsoperation für jedes Teilprodukt steuert, das auf diese Weise durch den Betrieb der Schiebeeinheit 47 und des Rechenwerks 46 erhalten wird.

Jedes Teilprodukt wird dem Arbeitsregister 48 zugeführt und zum zuvor berechneten Teilprodukt am Rechenwerk 49 addiert; in das Endregister 51 werden daher die kontinuierlich summierten Teilprodukte eingegeben. Wie aus Fig.4 zu erkennen ist, erfolgt nach jeder Ausgabe des Rechenw^ts 49 in der Schiebeeinheit 5OA eine Division durch 16 (d.h. eine Rechtsverschiebung um 4 Bits), bis jede 4-Bit-Gruppe ihreMultiplikationoperation ausgeführt hat. Der Inhalt des Endregisters wird wieder in das Rechenwerk 49 zurückübertragen, so daß dieses kontinuierlich die Teilproduktsumme erzeugt, wie es erwünscht ist. Die Schiebeeinheiten 5OB und 5OC werden bei der Durchführung einer Division benutzt.

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Das durch die Tätigkeit der Schiebeeinheit 47 und des Rechenwerks 56 erhaltene 4-Bit-Teilprodukt kann so gesteuert werden, daß das Teilprodukt jedes von 16 Hexadezimal-Werten für jeden 4-Bit-At>schnitt des Multiplikators erzeugt wird, indem Kombinational von Ausgangssignalen der Schiebeinheit, die an die Eingänge A und B des Rechenwerks 46 angelegt werden, in geeigneter Weise gesteuert werden. Beispielsweise kann eine Multiplikation mit dem Faktor 3 erreicht werden, indem an der Schiebeeinheit 47D eine Multiplikation mit dem Faktor 4 durchgeführt wird, und indem davon das Ergebnis einer Multiplikation mit dem Faktor 1 an der Schiebeeinheit 47A subtrahiert wird.

Die Multiplikatorsteuereinheit 44 ist in Fig.5 genauer dargestellt; sie enthält eine hexadezimale D-Flipflop-Einheit 53» die abhängig von den vier niedrigstwertigen Bits (SH52-55) des Multiplikators arbeitet, der vom Ausgang der Rechtsschiebeeinheit 51 erhalten wird ( die Multipli-M;or-Bits MPR 0-55 werden nacheinander für jede der aufeinanderfolgenden 4-Bit-Multiplikationsoperationen um vier Bits nach rechts verschoben). Die Multiplikat©rsteuereinheit 44 liefert dadurch EingangsSteuersignale an das Register 54, das die Multiplikatorsteuersignale MCTRA bis MCTRE abgibt. Die zuletzt genannten Signale bewirken die Freigabe oder die Sperrung der Schiebeeinheiten 47A bis 47D (mittels der Signale E1 und E2) und die Auswahl der entsprechenden Multiplikationsfaktoren (X1, X2, X4, X8 mittels der Signale S1, ST, S2, S2),wie in Fig.5 und in Fig.6 dargestellt ist.

Die Arbeitsweise der Schiebeeinheiten 47A bis 47D und des Rechenwerks 46 kann an Hand von Fig.7 und der Tabelle erklärt werden. Die Schiebeeinheiten sind eigentlich zwei

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raultiplexierte Multipliziereinheiten, eine zur Erzielung einer Multiplikation mit dem Faktor 1 (X1) oder mit dem Faktor 2 (X2) und eine zur Erzielung einer Multiplikation mit dem Faktor 4(X4) oder 8 (X8). Die multiplexierten Multipliziereinheiten werden so freigegeben oder gesperrt, wie in der Tabelle 1 angegeben ist; die Auswahl der Multiplikationsfaktoren erfolgt mittels der Wählsignale S1, ST, S2 und S2"; die Ausgangssignale der Multipliziereinheiten werden je nach Bedarf durch das Rechenwerk 46 addiert oder subtrahiert. Wenn eine Multiplikation mit dem Faktor 3(X3) gewünscht wird, können die multiplexierten Multipliziereinheiten so gesteuert werden, daß sie beide freigegeben sind (E1 und E2 sind dabei wirksam gemacht) und die Signale S1 und S2 sind wirksam, damit eine Multiplikation mit dem Faktor 1 (X1) bzw. mit dem Faktor 4 (X4) durchgeführt wird. Die Produkte werden dann subtrahiert (d.h. - A+b), so daß das Gesamtteilprodukt den Wert (X4) - (X1) hat, der zu einer Multiplikation mit dem Faktor 3 (X3) führt.

Die Tabelle 2 veranschaulicht zusammen mit Fig.7 und der Tabelle 1, wie eine hexadezimale Teilproduktoperation für eine 4-Bit-Multiplikation unter Verwendung der Schiebeeinheiten 47A bis 47D, des Rechenwerks 46 und des Rechenwerks 49 durchgeführt werden kann. Wenn der Multiplikand Mit "A" bezeichnet ist, die Teilsumme des Teilprodukts mit ^H£3«bezeichnet ist, und das Übertrag-Bit mit "CN" bezeichnet ist, gibt die Tabelle 2 die Auswahl operation ^SEL) und die Freigabeoperation (EN) an den Schiebeeinheiten sowie die Additionsoperation (ADD)oder die Subtraktionsoperation (SUB) an, die von den Rechenwerken durchgeführt

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werden müssen, damit die richtige Multiplikation für einen aus vier Bits bestehenden Multiplikatorwert in hexadezimaler Schreibweise erhalten wird. Die Tabelle zeigt die Operation an, die für die Multiplikation mit einem der 16 Werte erforderlich ist, der von den ersten vier niedrigstwertigen Bits des Multiplikators repräsentiert wird. Der Multiplikator wird dann in der Links/Rechts- Schiebeeinheit 45 um vier Bit-Positionen nach rechts verschoben,, so daß sich nun die nächsten vier Bits an den niedrigstwertigen Bit-Positionen befinden, und die 4-Bit-Multiplikationsoperation wird für den nächsten Hexadezimalwert durchgeführt, der durch diese nächsten vier Bits ausgedrückt wird, usw., bis die Multiplikation für alle 4-Bit-Gruppen des aus 56 Bits bestehenden Multiplikatorworts vollständig ausgeführt worden ist.

In der gesamten Multiplikationsoperation erzeugt das Rechenwerk 46 die Teilprodukte, und das Rechenwerk erzeugt die Teilsummen aus den Teilprodukten, bis die Summe aller Teilprodukte erhalten worden ist ( die Multiplikation mit der letzten 4-Bit-Gruppe des Multiplikators erfolgt ist),worauf das Endregister 51 das vollständige Produkt des vom M/Q-Register 43 gelieferten Multiplikanden des von der Mantissen-Register-Datei über die Links/Rechts-Schiebeeinheit 45 gelieferten Multiplikators abgibt.

Die Additions-, Subtraktions- und Divisionsoperationen können im wesentlichen in der gleichen Weise durchgeführt werden, wie in der oben bereits erwähnten kanadischen Patentschrift ausgeführt worden ist; diese Operationen

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werden daher hier nicht näher erläutert.

In Fig.9 ist ein genaueres Blockschaltbild des Befehlsund Decodierabschnitts des Gleitkomma-Prozessors dargestellt. Wie im Zusammenhang mit Fig.2 erläutert wurde, wird jeder dem Primär-Prozessor zugeführte Befehl gleichzeitig auch dem Gleitkomma-Prozessor über die Zustandsänderungslogik 22 zugeführt, die zu diesem Zweck ein Befehlspufferregister 60 enthält.Das Gleitkomma-Befehlsregister 62 (FPIR) empfängt den Befehl aus dem Pufferregister 60, und es decodiert für den Fall, daß es sich um einen Gleitkomma-Befehl handelt, diesen Befehl mit Hilfe des Decodier-Festspeichers 63, damit die nächste Mikroprogrammadresse für den Steuerspeicher 20 erzeugt wird. Wenn der Befehl kein Gleitkomma-Befehl ist, erzeugt er keine Mikroprogrammadresse am Decodierfestspeicher 63. Die Adresse wird dem Steuerspeicher 20 über eine geeignete Mikroadressenauswahllogik 64 zugeführt. Der Steuerspeicher 20 liefert dann die zur Ausführung des ausgewählten Gleitkomma-Befehlsprogramms erforderlichen Mikrobefehlssteuersignale über das Pufferregister 21.

Der Decodierfestspeicher 61 führt die gleiche Decodierung des Befehls aus dem Befehlspufferregister 60 wie der Decodierfestspeicher 63 aus. Die decodierte Adresse aus dem Festspeicher 61 kann ausgewählt werden, wenn ein Gleitkomma-Befehl empfangen worden ist, bevor die Ausführung eines vorangehenden Gleitkomma-Befehls beendet worden ist. Zur Erzielung der nächsten decodierten Adresse und zum schnelleren Starten des nächsten Befehlsmikroprogramms, als es der Fall wäre, wenn der Befehl zum

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Befehlsregister 62 und dann zum Decodierfestspeicher 63 übertragen würde, kann der Befehl in den und aus dem Decodierfestspeicher 61 getaktet werden, wodurch eine Zeitersparnis um einen Mikrozyklus erhalten wird»

Die Mikroadressenwähllogik 64 wird dazu benutzt, aus dem Decodierfestspeicher 63 oder dem Decodierfestspeicher 61 die nächste Adresse auszuwählen; sie kann ferner dazu benutzt werden,, das Adressenfeld "Jwahr", das Adressenfeld "falsch" oder entsprechende Testbedingungen auszuwählen,, wie aus der Darstellung hervorgeht.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Befehlsund Decodierlogik die erforderlichen Steuersignale zur Erzielung der Ausführung einer Gleitkomma-Operation mittels einer im Steuerspeicher 20 gespeicherten geeigneten Software erzeugt. Die Operationen können dann mit Hilfe der Exponenten- und Mantisseneinheiten durchgeführt werden, wie oben erläutert wurde» Der spezielle Vorteil der Mantissenstruktur besteht darin, daß die Multiplikation entsprechend einem 4-Bit-Multiplikationsverfahren erzielt wird, was im Gegensatz zu der 1-Bit-Multiplikation steht, die in der oben erwähnten kanadischen Patentschrift erläutert ist.

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Claims

Qy Digitale Datenmultiplizieranordnung zur Erzeugung des Produkts aus zwei in digitaler Form angegebenen Werten, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten digitalen Datenworts, das den ersten der zwei Werte darstellt,

eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Datenworts, das den zweiten der zwei Werte darstellt,

eine Einrichtung zur Erzeugung aufeinanderfolgender Gruppen von Datenbits des zweiten Datenworts,

eine Steuerlogik, die abhängig von den aufeinanderfolgenden Gruppen von Datenbits aufeinanderfolgende Multiplikation» Steuersignale erzeugt,

eine Verschiebungsvorrichtung zum aufeinanderfolgenden Verschieben der Datenbits des ersten Datenworts um eine erste ausgewählte Anzahl von Stellen zur Erzeugung eines ersten verschobenen Datenworts und um eine zweite

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ausgewählte Anzahl von'Stellen zur Erzeugung eines zweiten verschobenen Datenworts, wobei die Auswahl der ersten und der zweiten Anzahl von Stellen nacheinander unter der Steuerung durch aufeinanderfolgende Multiplikationssteuersignale erfolgt.

eine erste Kombinationseinrichtung, die abhängig von den beiden verschobenen Signalen aufeinanderfolgende Teilprodukte aus dem ersten Datenwort und den aufeinanderfolgenden Gruppen von Datenbits des zweiten Datenworts erzeugt, und

eine zweite Kombinationseinrichtung, die abhängig von den aufeinanderfolgenden Teilprodukten aufeinanderfolgende Teilsummen dieser Teilprodukte erzeugt, wobei die Endsumme aller aufeinanderfolgenden Teilprodukte ein Enddatenwort ergibt, das das Endprodukt der zwei Werte
darstellt.
2. Anordnung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Gruppen von Datenbits des
zweiten Datenworts Gruppen mit Jeweils vier Datenbits sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungseinrichtung aus folgenden Baueinheiten besteht:

einer ersten multiplexierten Verschiebungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Schiebeeinheit, die das erste Datenwort um eine erste bzw. eine zweite
ausgewählte Anzahl von Stellen verschieben, wenn sie
freigegeben sind,

und einer zweiten multiplexierten Verschiebungsvorrichtung mit dritten und vierten Schiebeeinheiten, die das erste Datenwort um eine dritte bzw. eine vierte Anzahl von Stellen verschieben, wenn sie freigegeben sind.

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4. ,Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik Steuersignale zum wahlweisen Freigeben der ersten und zweiten multiplexierten Verschiebungsvorrichtungen liefert, und im freigegebenen Zustand, wahlweise das erste Datenwort um die erste oder um die zweite Anzahl von Stellen in der ersten multiplexierten Verschiebungsvorrichtung oder um die dritte oder vierte Anzahl von Stellen in der zweiten multi„ plexierten Verschiebungsvorrichtung verschiebt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Datenwörter in hexadezimaler Schreibweise ausgedrückt sind und daß die erste, zweite, dritte und vierte Anzahl von Stellen 0.1. 2 bzw. 3 Stellen sind und die Multiplikation des Datenworts mit dem Faktor 1, 2, 4 bzw» 8 repräsentieren.
6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Arbeitsregistervorrichtung, die abhängig vom Ausgangssignal der ersten Kombinationseinrichtung die aufeinanderfolgenden Teilprodukte festhält und der zweiten Kombinationseinrichtung zuführt.
7. Anordnung nach Anspruch 6» gekennzeichnet durch eine Endregistervorrichtung, die abhängig vom Ausgangssignal der zweiten Kombinationseinrichtung die aufeinanderfolgenden Teilsummen festhält und dem Eingang der zweiten Kombinationseinrichtung zuführt,, wobei die Endregistervorrichtung auch das Enddatenwort festhält.
8. Anordnung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Verschieben des Ausgangssignals der zweiten Kombinationseinrichtung, bei der Erzeugung Jeder aufeinanderfolgenden Teilstimme, wobei das verschobene Ausgangssignal der Endregistervorrichtung zugeführt wird.

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9. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung im Gleitkomma-Rechenabschnitt eines Datenverarbeitungssysteme, wobei der Gleitkomma-Rechenabschnitt eine Exponentenberechnungseinheit und eine Mantissenberechnungseinheit enthält, und wobei die Multiplikationsanordnung das Produkt aus zwei Mantissenwerten erzeugt.

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