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Universidade Federal de Santa CatarinaCentro Tecnológico
Departamento de Informática e EstatísticaCurso de Graduação em Ciências da Computação
Suplemento à Aula 1-TArquiteturas de Somadores Rápidos.
Prof. José Luís Gü[email protected]
www.inf.ufsc.br/~guntzel/ine5406/ine5406.html
Sistemas DigitaisSistemas DigitaisINE 5406INE 5406
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
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slide 1TS.2
Somador Paralelo Tipo Ripple Carry
c0c4
Suponha que no tempo t=0 um par de valores é aplicado às entradas (A,B):• O resultado só estará pronto quando todas as saídas tiverem estabilizado• si e ci+1 só estabilizam após ci estabilizar• Em particular, s3 e c4 só estabilizam depois que c3, c2 e c1 tiverem
estabilizados…
a0 b0
s0
c1c2c3
s1s2s4
a1 b1a2 b2a3 b3
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
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slide 1TS.3
Analisando a Propagação do CarryOs caminhos críticos em somadores Ripple Carry passampela cadeia de propagação do carry
c0c4
a0 b0
s0
c1c2c3
s1s2s4
a1 b1a2 b2a3 b3
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
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slide 1TS.4
Pergunta: será que não é possível alterar a arquitetura dosomador, de modo a “quebrar” ou reduzir tal interdependência?
SC
s0
c1
b0a0
SC
s1
c2cnSC
sn
Cn+1
b1a1bnan
c0
Analisando a Propagação do Carry
A resposta é … SIM!!!
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
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slide 1TS.5
Há três diferentes casos na propagação do carry que sãomutuamente exclusivos:
Caso 1 (sinal Kill )
Quando as entradas A e B dosomador local são iguais a zero,independentemente do carryde entrada, o carry de saídaserá igual a zero e, portanto, oestágio “matará” a propagaçãodo carry do estágio anterior.
0
0
0
0
0
0
1
1
ki
11111
01011
01101
10001
01110
10010
10100
00000
sici+1cibiai
Analisando a Propagação do Carry
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slide 1TS.6
Caso 2 (sinal Generate)
Quando as entradas A e B dosomador local são iguais aum, independentemente docarry de entrada, o carry desaída será igual a um e,portanto, haverá geração decarry neste estágio.
1
1
0
0
0
0
0
0
gi
11111
01011
01101
10001
01110
10010
10100
00000
sici+1cibiai
Analisando a Propagação do Carry
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Caso 3 (sinal Propagate)
Quando uma das entradas, Aou B, do somador local forigual a um e a outra for igual azero, o carry de saída seráigual ao carry de entrada e,portanto, o carry serápropagado.
0
0
1
1
1
1
0
0
pi
11111
01011
01101
10001
01110
10010
10100
00000
sici+1cibiai
Analisando a Propagação do Carry
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slide 1TS.8
Resumindo os três casos do carry, temos:
Analisando a Propagação do Carry
111Generate (gi)
ci01
ci10Propagate (pi)
000Kill (ki)
ci+1biaiCaso
Agora, a idéia é:
• Encontrar uma equação para cada um dos três sinais ( ki, pi e gi)
• Achar as equações de si e ci+1 em função de ki, pi e gi
Mas qual é a vantagem desta “reestruturação lógica”?
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slide 1TS.9
Equações das funções ki , pi e gi são:
ki = ai · bi = ai + bi
pi = ai ⊕ bi
gi = ai · bi
Analisando a Propagação do Carry
111Generate (gi)
ci01
ci10Propagate (pi)
000Kill (ki)
ci+1biaiCaso
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slide 1TS.10
Analisando a Propagação do Carry
111Generate (gi)
ci01
ci10Propagate (pi)
000Kill (ki)
ci+1biaiCaso
Então, usando soma de produtos, o carry out do estágio i podeser definido como:
ci+1 = gi + pi · ci
E a saída “soma” do estágio i pode ser expressa (em função de pie ci) por:
si = ai ⊕ bi ⊕ ci = pi ⊕ ci
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slide 1TS.11
As fórmulas para si e ci+1 geram o mesmo circuito já estudado,com base em dois meio-somadores.
pi = ai ⊕ bi
gi = ai · bi
ci+1 = gi + pi · ci
si = pi ⊕ cici+1
ci
si
bi
pigi
ai
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slide 1TS.12
Comparando o Desempenho das Duas Versões
si
ai bi
ci+1 ci
Versão 1 Versão 2
Na versão 2:
• Se gi=1 não é preciso esperar pelo valor de ci para determinar ovalor de ci+1
• Se pi=1 , então já se sabe a priori que ci+1 = ci
ci+1 ci
si
bi
pigi
ai
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slide 1TS.13
1. Reduzir o atraso na geração do carry(aplicada nos somadores Manchester);
2. Diminuir o atraso da cadeia de propagação do carry(aplicada nos somadores Carry-Lookahead, Carry-Select,Carry-Skip, etc.);
3. Mudar o sistema de representação numérica(não será tratado na disciplina).
Somadores Rápidos
Estas soluções investem em desempenho, mas resultam emacréscimo de recursos (número de transistores utilizados).
Para reduzir-se o atraso na propagação do carry as seguintesabordagens podem ser usadas:
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slide 1TS.14
• Este circuito mais rápido pode ser constituído de TransmissionGates ou transistores de passagem;
• Como as situações de kill, propagate e generate sãomutuamente exclusivas, pode-se construir um conjunto dechaves com a seguinte lógica:
- Se ki = 1, então ci+1 = 0
- Se gi = 1, então ci+1 = 1
- Se pi = 1, então ci+1 = ci
Somadores Manchester ChainPrincípio: usar um circuito mais rápido para propagar a
cadeia de carry;
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slide 1TS.15
Somadores Manchester Chain
CC
a0 b0
c0c1
CC
a1 b1
c2
CC
a2 b2
c3
CC
ai bi
Ci+1 Ci
Controle da Cadeia dePropagação do Carry (CC)
Uma Implementação comtransistores de passagem
Cadeia depropagação doCarry
ci+1 ci
ai bi
Vdd
GND
pi
giki
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slide 1TS.16
Somadores Manchester Chain
ci+1 ci
si
ai bi
Vdd
GND
pi
giki
E como seria o somador Manchester Chain completo?
Basta modificar o controleda cadeia de propagaçãodo carry para que elecalcule também a saída si
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
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slide 1TS.17
• No extremo, todos os carries podem ser computados aomesmo tempo.
• Para o somador Carry-Lookahead, pode-se considerar quenão existe mais a exclusividade mútua entre os sinaisgenerate e propagate.
• Então, a função propagate pode ser simplificada para umsimples “OU” entre as duas entradas, pois se o nível desoma gera carry out (gi = 1), não importa o valor depropagate.
Somadores Carry LookaheadPrincípio: paralelizar o cálculo dos carries
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slide 1TS.18
Assim, para o carry-lookahead temos que:pi = ai + bi
ci+1 = gi + pi · ci
Então:c1 = g0 + p0 · c0
c2 = g1 + p1 · (g0 + p0 · c0)
Expandindo, segue:c2 = g1 + p1 · g0 + p1 · p0 · c0
c3 = g2 + p2 · g1 + p2 · p1 · g0 + p2 · p1 · p0 · c0
c4 = g3 + p3 · g2 + p3 · p2 · g1 + p3 · p2 · p1 · g0 + p3 · p2 · p1 · p0 · c0
Somadores Carry Lookahead
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
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slide 1TS.19
cin
p0g0p1g1p2g2p3g3
c0c1c2
S3 S2 S1 S0
b0a0b1a1b2a2b3
a3
gen
prop
GAP(Generate andPropagate)
UnidadeCarryLookahead
Soma
Somadores Carry Lookahead
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slide 1TS.20
• Problema com os CLGs: a complexidade da equação docarry cresce muito rapidamente!!!
• Para somadores com entradas usando muitos bits, apropagação do carry com cadeia carry-lookahead é maislenta que um ripple carry.
• Tipicamente, o carry-lookahead não é usado parasomadores com entradas maiores que 4 bits.
Somadores Carry Lookahead
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
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slide 1TS.21
• Solução: aplicar o lookahead em grupos de somadorescom, no máximo, 4 bits.
• Funções auxiliares P e G são necessárias e indicam,respectivamente:
• Se P = 1, então o carry é propagado pelo grupo.
• Se G = 1, então o grupo gera carry out.
Somadores Carry Lookahead
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slide 1TS.22
b3-0
CLA1 CLA0
a3-0b7-4a7-4
c4
BGP-8
cin
S7-4 S3-0
c4
prop1
cout
gen1
prop0 gen0
gen1 prop1 gen0prop0cin
BGP-8
cout c4
Somadores Carry Lookahead
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slide 1TS.23
Caminho Crítico
c16
CLG-4
c4c8c12
CLA-4
a0
4
b0
4
s0
4
g0 p0
2
s1
4
CLA-4
a1
4
b1
4
g1 p1
2
c4
s3
4
CLA-4
a3
4
b3
4
g3 p3
2
c12
s2
4
CLA-4
a2
4
b2
4
g2 p2
2
c8
CLG-4
c20c24c28
CLA-4
a4
4
b4
4
s4
4
g4 p4
2
s5
4
CLA-4
a5
4
b5
4
g5 p5
2
c20
s7
4
CLA-4
a7
4
b7
4
g7 p7
2
c28
s6
4
CLA-4
a6
4
b6
4
g6 p6
2
c24 c16
c32
c0
Somadores Carry Lookahead
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slide 1TS.24
• Em cada seção de adição são usados dois somadores ( ripplecarry ou carry lookahead) idênticos e um multiplexador
• O multiplexador seleciona um dos dois resultados,utilizando como controle o carry out da seção anterior
Somadores Carry Select
Princípios:
• dividir a adição em seções de 4 ou 8 bits
• realizar a adição de cada seção simultaneamente paraos dois casos possíveis (carry in=0 e carry in=1)
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slide 1TS.25
RCA0
01
cin
A0...3 B0...3
RCA1
A0...3 B0...3
RCA0
RCA1
A4...7 B4...7
A4...7 B4...7
Cin
C03
C13
C07
C17
S0...3
C03C13
0
1 Cin
C03C13
C17C07 Cout
S4...7
Somadores Carry Select com 8 bits(usando somadores RCA…)
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slide 1TS.26
Equações utilizadas pelos MUX de cada seção de soma
B1 = Cin B2 = C03 or (C13 and CIN)
B3 = C07 or (C17 and (C03 or (C13 and CIN))) B4 = C011 or (C111 and (C07 or (C17 and (C03 or (C13 and CIN)))))
B4 =C015 or (C115 and(C011 or (C111 and (C07 or (C17 and (C03 or (C13 and CIN))))))
Somadores Carry Select
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
Prof. José Luís GüntzelINE/CTC/UFSCSistemas Digitais - semestre 2008/1
slide 1TS.27
RCA0
01
cin
A0...3 B0...3
RCA1
A0...3 B0...3
RCA0
RCA1
A4...7 B4...7
A4...7 B4...7
Cin
C03
C13
C07
C17
S0...3
C03C13
0
1 Cin
C03C13
C17C07 Cout
Caminho Crítico
S4...7
Atraso crítico = Atraso RCA + Atraso MUX
Somadores Carry Select com 8 bits
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Arquiteturas de Somadores Rápidos
Prof. José Luís GüntzelINE/CTC/UFSCSistemas Digitais - semestre 2008/1
slide 1TS.28
RCA0
0
1
cin
A0...3 B0...3
RCA1
A0...3 B0...3
RCA0
RCA1
A28...31 B28...31
A28...31 B28...31
C03
C13
C031
C131
S0...3 0
1
Caminho Crítico
S28...31
Cin
C03C13
C17C07
C011C111
C015
C019
C023
C027
C115
C119
C123
C127
Atraso crítico = Atraso RCA + Atraso Equação + Atraso MUX
Somadores Carry Select com 32 bits