Сумматоры: определения, классификация, уравнения, структуры и применение
Основной элементарной операцией, выполняемой над кодами чисел в цифровых устройствах, является арифметическое сложение.
Сумматор — логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение кодов двух чисел. При арифметическом сложении выполняются и другие дополнительные операции: учёт знаков чисел, выравнивание порядков слагаемых и тому подобное. Указанные операции выполняются в арифметическо-логических устройствах (АЛУ) или процессорных элементах, ядром которых являются сумматоры.
Сумматоры классифицируют по различным признакам.
В зависимости от системы счисления различают:
· двоичные;
· двоично-десятичные (в общем случае двоично-кодированные);
· десятичные;
· прочие (например, амплитудные).
По количеству одновременно обрабатываемых разрядов складываемых чисел:
· одноразрядные,
· многоразрядные.
По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров:
· четвертьсумматоры (элементы “сумма по модулю 2”; элементы “исключающее ИЛИ”), характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма;
· полусумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд);
· полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд).
По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные сумматоры подразделяются на:
· последовательные, в которых обработка чисел ведётся поочерёдно, разряд за разрядом на одном и том же оборудовании;
· параллельные, в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется своё оборудование.
Параллельный сумматор в простейшем случае представляет собой n одноразрядных сумматоров, последовательно (от младших разрядов к старшим) соединённых цепями переноса. Однако такая схема сумматора характеризуется сравнительно невысоким быстродействием, так как формирование сигналов суммы и переноса в каждом i-ом разряде производится лишь после того, как поступит сигнал переноса с (i-1)-го разряда.Таким образом, быстродействие сумматора определяется временем распространения сигнала по цепи переноса. Уменьшение этого времени — основная задача при построении параллельных сумматоров.
Для уменьшения времени распространения сигнала переноса применяют: конструктивные решения, когда используют в цепи переноса наиболее быстродействующие элементы; тщательно выполняют монтаж без длинных проводников и паразитных ёмкостных составляющих нагрузки и (наиболее часто) структурные методы ускорения прохождения сигнала переноса.
По способу организации межразрядных переносов параллельные сумматоры, реализующие структурные методы, делят на сумматоры:
· с последовательным переносом;
· с параллельным переносом;
· с групповой структурой;
· со специальной организацией цепей переноса.
Сумматоры, которые имеют постоянное время, отводимое для суммирования, независимое от значений слагаемых, называют синхронными.
По способу выполнения операции сложения и возможности сохранения результата сложения можно выделить три основных вида сумматоров:
· комбинационный, выполняющий микрооперацию “S = A плюс B”, в котором результат выдаётся по мере его образования (это комбинационная схема в общепринятом смысле слова);
· сумматор с сохранением результата “S = A плюс B”;
· накапливающий, выполняющий микрооперацию “S = S плюс B”.
Счетчиком называется типовой узел ЭВМ, предназначенный для подсчета числа входных сигналов (импульсов).
По целевому назначению счетчики подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.
Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета импульсов в прямом направлении, т.е. для сложения. С приходом очередного импульса на вход счетчика его содержимое увеличивается на единицу.
Вычитающий счетчик предназначен для выполнения счета в обратном направлении, т.е. в режиме вычитания. Каждый импульс, поступающий на вход такого счетчика, уменьшает его содержимое на единицу.
Реверсивными называются такие счетчики, которые могут работать как в режиме сложения, так и в режиме вычитания.
По способу построения цепей сигналов переноса различают счетчики с одновременным, групповым, сквозным и последовательным переносами.
Основными характеристиками счетчиков являются:
1. Быстродействие, оцениваемое максимальной частотой поступления входных импульсов F = 1/T , T – период следования счетных импульсов.
2. Модуль счета или коэффициент пересчета К.
Коэффициент пересчета К характеризует число устойчивых состояний счетчика, т.е. предельное число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. Например, при К = 12 счетчик имеет 12 состояний: от 0 до 11. И каждый двенадцатый импульс будет возвращать его в начальное состояние. Если счетчик имеет n разрядов, то Kmax = 2n. Каждому состоянию соответствует n разрядное двоичное число (от 0 до 2n –- 1), а всего таких чисел 2n.
