Арифметико-логическое устройство ЭВМ М-13

В.А. Брик, Ю.С. Гороховский, Р.И. Гуревич, Е.М. Качина, Е.Ю. Петров

Описывается высокопроизводительное векторное многопроцессорное многоформатное конвейерное арифметико-логическое устройство (АЛУ) М-13, выполняющее широкий круг операций над 8-, 16- и 32-разрядными числами с фиксированной и плавающей занятой.
Устройство обладает уникальной системой диагностического аппаратного контроля.

ЭВМ М-13 в разных модификациях содержит одно, два или четыре устройства АЛУ (k= 1, 2,4). Каждое устройство в зависимости от формата операндов ( f = 8. 16 или 32 двоичных разряда) распадается соответственно на 16, 8 или 4 арифметических процессора (АП) (m= 16, 4). Все АП всех АЛУ работают синхронно, выполняя одну и ту же операцию над km парами операндов А и В и формируя kmрезультатов С. В максимальной комплектации (k=4) 4m чисел А (В, С) составляиот 4 mf= 512-разрядную строку, положение которой в памяти, откуда она читается (куда она записывается) полностью определяется одним адресом. Таким образом, k устройств АЛУ составляют единое векторное устройство.

Структура АЛУ. Каждый АП (рис. 1) представляет собой конвейерное устройство со входными регистрами операндов (РгА, РгВ) и кода операции (РК), буферным регистром (РгБф), выходными регистрами результата (РгС) и признаков (РгПр) и комбинационными логическими схемами (КЛС).

Операнды в четыре АЛУ могут поступать с 512-разрядпых шин ШЧтУР, ШЧт4, ШЧт5 и с 32-разрядииой шины РО “размножаемого операнда”. Такт работы конвейера равен 300 нс. Таким образом, производительность четырех устройств АЛУ (максимальная комплектация) на формате f=32 составляет 4в4 в 1/(300в10 -12 ) ? 50 млн. оп/с.

Кроме операндов и кода операции в АП поступает маска М (своя в каждый из АП), четыре разряда которой могут замаскировать соответствующие байты результата; маскирование состоит в выдаче операнда А вместо результата операции. При работе с форматами f= 16 или 32 разряды маски должны быть соответственно (попарно пли все четыре) одинаковыми.

Рис. 1 Структура арифметического процессора

Форма представления операндов и результатов операций. Устройство АЛУ оперирует с числами с фиксированной запятой (числа F ) и плавающей запятой (числа R ).

Числа F бывают со знаком и без знака (“коды”); в первом случае число содержит разряд знака и n =f -1 разрядов абсолютной величины числа, во втором случае — n =f разрядов абсолютной величины числа.

Числа R =?16 ? а содержат разряд знака, 7 разрядов порядка ? (-64 ≤ α ≤ 63) и n =24 разряда абсолютной величины мантиссы а. Для нормализованных чисел 1/16 ≤ a ≤ 1-2 -24 . Таким образом, в АЛУ используется шестнадцатеричная система счисления.

Операции АЛУ. Список операций приведен в таблице. В ней указаны признаки W (переполнение разрядной сетки), Eq (равенство результата С нулю), G (С>О), L (С<О). Цифрами 0, 1 указаны признаки, тождественно равные нулю или единице. По указателю в команде из АЛУ по шине Пр выдается один из этих четырех признаков. Каждый из четырех разрядов шины Пр соответствует одному байту результата С. Как в разряды маски, разряды признака при f= 16 или 32 соответственно (попарно или все четыре) одинаковы. Признаки, вырабатываемые в АЛУ, используются (вне АЛУ) для формирования масок для АЛУ и условий для программных переходов. В каждом АП при выходе порядка результата за допустимые границы (-64… +63) в большую или меньшую сторону вырабатывается соответственно сигнал прерывания Wн или Eн.

Операциям, реализуемым в АЛУ, соответствуют только заполненные указаниями о признаках клетки таблицы. Операции над “кодами” помечены в таблице словом “код”.

Операции сложения — вычитания. Среди них следует отметить операции “ст” (“мл”) -выработка результата с плавающей занятой, мантисса которого представляет собой старшие (младшие) 24 разряда нормализованной 48-разрядной мантиссы. Порядок результата операции “мл” для данной пары операндов А, В на 6 меньше порядка результата операции “ст”.

Операции умножения имеют модификации “ст” и “мл” не только для операций над числами с плавающей запятой, но и для операций над числами с фиксированной запятой: при операциях А*В “ст” (“мл”) над “кодами” F вырабатываются старшие (младшие) n разрядов точного 2 n -разрядного произведения, а при операциях А*В “ст” (“мл”) над числами F со знаками вырабатывается знак и тоже соответствующие n разрядов точного 2 n -разрядного произведения. Можно сказать, что операция A*ВFст ( A*ВFмл) — это умножение чисел с занятой, фиксированной слева (справа).

Операции логического (алгебраического) сдвига служат для сдвига всего числа А вместе со знаком (сдвига только абсолютной величины числа А; знак А сохраняется) влево или вправо на количество разрядов, указанное в операнде В. 

Логические операции позволяют выполнить любую из 16 поразрядных Булевых операций над операндами А и В. 

Операции F —> R , R —> F служат для преобразования (с точностью до ошибки округления) 32-разрядного числа А из формы представления с фиксированной запятой в форму представления с плавающей запятой и обратно. При этом алгебраическая величина числа А умножается на коэффициент 16 β, указанный в операнде В. 

Система аппаратного диагностического контроля . Прием чисел в АЛУ и выдача из него контролируются по четности (один контрольный разряд на каждый информационный байт).

Выполнение операций внутри АЛУ контролируется при прохождении теста и при возникновении пауз в работе АЛУ (хотя бы на один такт) путем подачи от 27-разрядного генератора псевдослучайных чисел операндов А, В, масок М и кодов операций в 32-разрядньте АП одного АЛУ и сравнения результатов этих четырех АП между собой схемами сравнения Ср (см. рис. 1). Таким образом, при контроле осуществляется четырехкратное резервирование.

Уникальная система диагностики [1] основана на использовании специальных регистров “фотографий” (РгФ1, РгФ2, РгФ3 на рис. 1), принимающих по каждому синхроимпульсу (рис. 2) значения всех внешних сигналов всех сменных блоков (каждый АП состоит из 8 таких блоков). При возникновении неисправности (устойчивой или неустойчивой, одиночной или множественной) сигналы ошибки Ош2 и ОшЗ прекращают, как это показано на рис. 1 и 2, приемы в регистры “фотографий” РгФ2, РгФ3, оставляя в них информацию, исчерпывающим образом описывающую прохождение неверно выполненной операции в аппаратуре. После этого встроенная в АЛУ специальная аппаратура, сравнивая между собой четыре комплекта “фотографий” и учитывая порядок продвижения информации между блоками АП, определяет и выдает номер и место “виновного” блока, т. е. блока, выдавшего такой неправильный сигнал, который не может являться следствием поступления на этот блок других неправильных сигналов. Номер блока выдается из устройства АЛУ по специальному шлейфу (на рис. 1 не показан) вместе с информацией, зафиксированной во всех 4в32 16-разрядных регистрах “фотографий”. Эта же информация выводится на местную панель устройства.

Рис. 2. Временная диаграмма работы АЛУ

Следует отметить, что указанные регистры “фотографий” используются в режиме “индикации” для вывода на местную панель текущей информации о состоянии узлов устройства при его наладке. Поэтому объем собственно диагностической аппаратуры (сравнивающей “фотографии”) невелик — менее двух из 36 логических блоков устройства.

Литература

1. Брик В. А. Организация диагностического контроля вычислительных устройств путем использования стеков. — ИЛ 85-2485., М., ВИМИ, 1985.
2. Брик В. А. Выполнение арифметических операций с плавающей занятой при помощи микросхем памяти в быстродействующих арифметико-логических устройствах ЭВМ — М,: ИТМиВТ АН СССР. Препринт № 10 за 1989 г .- с. 51 
3. А. с. 1246090 СССР, МКИ3 G 06 F 7/52. Устройство для определения обратной величины числа (его варианты) / В. А. Брик (СССР) — № 3769093/24-24; Заявлено 15.06.84; Опубл. 23.06.86, Бюл. № 27 // Открытия. Изобретения,- 1986.- 27.- с. 173-174.
4. А. с. 1273921 СССР, МКИ3 G 06 F 7/552. Устройство для извлечения квадратного корня / В. А. Брик, М. А. Пуховицкий (СССР). — № 3754919/24-24; Заявлено 15.06.84; Опубл. 30.11.86, Бюл. № 44 // Открытия. Изобретения.- 1986.- № 44 — с. 196-197.
5. Брик В. А., Гаврилин  В. А., Жук  В. И., Златников  В. М., Кислинский  В. А, Ленгник Т. М., Лушпин  Л. И., Петрова  Г. Н.  Многопроцессорное арифметическое устройство / Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ. — 1972. — Вып. 5. — с. 56-67.

Статьи об ЭВМ М-13 
Сборник “Вопросы радиоэлектроники”, серия “Электронная вычислительная техника”, выпуск 10, стр. 12-16., 1990 г.
Перепечатывается с разрешения авторов.
Статья помещена в музей 27.03.2007 г.