1. Ciencia

Diseño de Operadores
Aritméticos
Dr. Andrés David García García
Departamento de Mecatrónica
ITESM-CEM
Algoritmos de procesamiento digital de señales
• Los algoritmos de DSP basan su funcionamiento en operadores
aritméticos y unidades de almacenamiento temporal.
• Filtros Digitales
• Transformadas Discretas Coseno/Fourier
• Convolución
• Operadores MAC(Multiply And ACcumulate)
M 1
y (n)   h(k )x(n  k )
k 0
2
Algoritmos de DSP
• Diseño de Operadores Aritméticos: crítico en el diseño VLSI de
arquitecturas de DSP
• Arquitecturas eficientes de operadores aritméticos funamentales
(sumas, restas, multiplidadores y divisores) para aplicaciones VLSI
• Objetivo: Diseñar y Construir arqutiecturas con un mínimo tiempo de
propagación (mejorar velocidad de respuesta), y con el menor
requerimiento de superficie de silicio (optimizar la densidad y el nivel
de integración).
ADGG / LFGP
3
Representación de Números en Binario
• Números positivos en binario: Magnitud:
N 1
X   Bi  2
i 0
i
i
15
3
1
2
1
1
1
0
1
14
:
2
1
0
1
:
0
0
0
1
:
0
0
0
1
:
1
0
0
0
:
0
1
0
4
Representación de Números Negativos
• Varios métodos
• Característica común: MSB representa el bit de signo
• 0  número positivo
• 1  número negative
• Métodos principales
• Signo y magnitud
• Complemento a 2
• Complemento a 1
5
Representación de Números Negativos
• Signo y magnitud poco adaptado al diseño de circuitos
digitales:
• Se requiere de N bits para la magnitud y de un bit extra para el signo.
• Las arquitecturas aritméticas son más complejas.
• Complemento a 2 y complemento a 1 permiten un fácil
diseño de circuitos aritméticos digitales:
• Objetivo: representar números positivos y negativos usando el mísmo número de
bits.
6
Numeración en Complemento a 1
• Número positivo, N,
0 XX…XXX
Donde XX…XXX representa la magnitud del número
• Número negativo, -N,
/N = (2n – 1) – N
Ejemplo: Si n = 4, -N = 15 – N,
-3 = 15 – 3 = 11 = 11002
• Regla: Complementar todos los bits de la palabra.
7
Numeración en Complemento a 2
• Número positivo, N,
0 XX…XXX
Donde XX…XXX representa la magnitud del número
• Número negativo, -N,
N* = 2n – N
Donde n es el tamaño de la palabra o número
Ejemplo: Si n = 4, -N = 16 – N,
-3 = 16 – 3 = 13 = 11012
• Regla: Avanzar de derecha a izquierda. Cuando se localice el primer 1,
complementar los siguientes bits.
8
Complemento a 1 y Complemento a 2
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
0
1
7
2+4=6
2
6
2 - 4 = 6 (-2)
3
5
4
9
Complemento a 2 VS Complemento a 1
• N* = 2n – N = 2n – 1 – N + 1 = /N + 1
• Obtención de N a partir de sus complementos
• N = 2n – N*
• N = (2n – 1) – /N
• Complemento a 2: posibilidad de representar un número negativo
más que un número positivo. Ejemplo: Para n = 4 podemos
representar los valores [7 .. –8]
10
Representación de Números Negativos
Enteros
Positivos
(Todos los
sistemas)
N
Enteros Negativos
-N
Signo y
magnitud
Complemen
to a 2
Complemen
to a 1
+0
0000
-0
1000
----
1111
+1
0001
-1
1001
1111
1110
+2
0010
-2
1010
1110
1101
+3
0011
-3
1011
1101
1100
+4
0100
-4
1100
1100
1011
+5
0101
-5
1101
1011
1010
+6
0110
-6
1110
1010
1001
+7
0111
-7
1111
1001
1000
-8
----
1000
----
11
La Suma en Complemento a 2
• La suma de números con signo de n bits es directa cuando
se emplea el sistema en complemento a 2.
• Cualquier carry de la posición de signo se ignora
• La suma siempre será correcta excepto cuando ocurre
overflow
• Se dice que ha ocurrido overflow cuando la
representación de la suma (incluyendo el bit de signo)
requiere más de n bits
12
La Suma en Complemento a 1
• Similar a la suma en complemento a 2
• Diferencia: El carry no se ignora y se suma al resultado de la suma
• También puede ocurrir overflow, lo que indica que la suma necesita
más bits para representarse correctamente
13
Ejemplos
• Complemento a 2
•
•
•
•
•
•
(+3)+(+4)
(+5)+(+6)
(+5)+(-6)
(-5)+(+6)
(-3)+(-4)
(-5)+(-6)
=> +7 (0111)
=> +11 (1011)
=> -1 (1111)
=> +1 (0001)
=> -7 (1001)
=> -11 (0101)
14
Ejemplos
• Complemento a 1
•
•
•
•
•
•
(+3)+(+4)
(+5)+(+6)
(+5)+(-6)
(-5)+(+6)
(-3)+(-4)
(-5)+(-6)
=> +7 (0111)
=> +11 (1011)
=> -1 (1110)
=> +1 (0000) ????
=> -7 (0111) ????
=> -11 (0011) ????
Igual que el complemento a 2
15
Overflow
• Con el propósito de obtener una respuesta correcta de
un sumador/restador, se debe asegurar que el resultado
tiene el número suficiente de bits para representar el
resultado
• Si dos números de b-bits se suman y la suma requiere de
n+1 bits para ser representada, ocurre un overflow
• El “overflow” es un problema cuando el número de bits
para representar el resultado es fijo
• Una Solución: extender el resultado a n+1 bits 
desperdicio de recursos
16
Overflow
• Otra solución es detectar cuando ocurre el “overflow”
• Dos casos
• Números sin signo
• Números con signo
17
Overflow en números sin signo
• En la suma de 2 números sin signo, el “overflow” se detecta a partir del
Carry-Out del MSB.
• En la resta de números sin signo, la magnitud del resultado es siempre igual
o menor que el operando de mayor longitud, por lo que no hay posibilidad
de “overflow”.
18
Overflow en números con signo
• En 2’complemento, el MSB indica el signo
• Cuando 2 números con signo se suman, el bit de signo
se manipula separadamente del número y un Carry-Out
de los MSB en ‘1’ no es necesariamente un “overflow”
• En números con signo, un “overflow” no puede ocurrir
durante la suma si uno de los operandos es positivo y el
otro negativo
19
Overflow en números con signo
• Un “overflow” puede ocurrir si los 2 números a sumar son positivos
o negativos
• Ejemplo: suma de 2 números de 8-bits
 70
0 1 0 0 0 1 1 0
 80
0 1 0 1 0 0 0 0
 150 0 1 0 0 1 0 1 1 0
 70
1 0 1 1 1 0 1 0
 80
1 0 1 1 0 0 0 0
 150 1 0 1 1 0 1 0 1 0
20
Overflow en números con signo
• Rango de valores sobre 8-bits: [-128, 127]
• El resultado (150) excede la capacidad de representación
• El resultado que debería ser positivo tiene un signo negativo y el resultado
que debiera ser negativo tiene un signo positivo
 70
0 1 0 0 0 1 1 0
 80
0 1 0 1 0 0 0 0
 150 0 1 0 0 1 0 1 1 0
 70
1 0 1 1 1 0 1 0
 80
1 0 1 1 0 0 0 0
 150 1 0 1 1 0 1 0 1 0
21
Overflow en números con signo
• El “overflow” se detecta al observar el Carry dentro del bit de signo y el
carry-out del bit de signo
• Si ambos no son iguales, un “overflow” ha ocurrido (XOR)
Carry : 0 1 0 0 0 0 0 0
 70
0 1 0 0 0 1 1 0
Carry : 1 0 1 1 0 0 0 0
 70
1 0 1 1 1 0 1 0
 80
 150
 80
 150
0 1 0 1 0 0 0 0
0 1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 1 1 0 0 0 0
1 0 1 1 0 1 0 1 0
22
Sumadores Binarios
• Operación aritmética básica en el diseño de circuitos digitales más
complejos
• Clasificación
Tipo de Suma
• Sumador Completo (Full Adder)
• Sumador Medio (Half Adder)
Implementación de Sumas con
n bits
• Ripple Carry Adder
• Carry Lookahead Adder
23
Sumador Medio (Half Adder)
• Circuito aritmético que genera la suma de dos bits (no toma en cuenta el
bit carry)
A
Entradas
Salidas
A
B
Cout
S
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
S  AB  AB  A  B
C  AB
B
Cout
S
A
B
HA
S
Cout
24
Sumador Completo (Full Adder)
• Circuito aritmético que genera la suma de tres bits (entradas A y B, y el bit
carry)
A
B
Cout
(Hacia el
siguiente FA)
FA
Cin
(Del FA anterior)
S
25
Sumador Completo (Full Adder)
Entradas
Salidas
S  ABCin  ABCin  ABCin  ABCin
A
B
Cin
Cout
S
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
Cout  AB  ACin  BCin
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
Cout  AB  Cin( AB  AB )
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
S  A  B  Cin
Cout  AB  Cin( A  B )
26
Sumador Completo (Full Adder)
Half Adder
A
B
Half Adder
S
Cout
Cin
27
Sumadores de n bits
• Arquitecturas capaces de realizar la suma de dos
números de n bits
• Dos tipos de intereses:
Velocidad
Tamaño
• Dos tipos de arqutiecturas
Arquitecturas en Serie
Tamaño
Velocidad
Arquitecturas en Paralelo
Velocidad
Tamaño
28
Sumador en Serie
• Implementación de un sumador eficiente en tamaño
A = An-1, An-2, …,A0
B = Bn-1, Bn-2, …,B0
Ai
Bi
Si
FA
Cout
Cin
Condición: entradas sincronizadas
por medio de la señal CLK
Q
D
CLK
29
Sumador Paralelo
• Arquitecturas para realizar sumas de n bits donde la
velocidad es el principal criterio de diseño
• Utilización de n FA´s. Todos los bits se aplican
simultáneamente a los FA´s para producir la suma
• Clasificación de acuerdo a la forma de generar el bit de
carry :
•
•
•
•
•
Ripple Carry Adder
Carry Lookahead Adder
Manchester Carry Chain
Carry Select Adder
Carry Skip Adder
30
Ripple Carry Adder
An-1
Cn
Bn-1
FA
Sn-1
A2
Cn-1
B2
FA
s2
A1
c2
B1
FA
s1
A0
c1
B0
FA
c0
s0
Cin 0 1 1 0
A 1011
B
0011
S
1110
Cout 0 0 1 1
31
Ripple Carry Adder
• Aplicación simultánea de las entradas A, B
• Cada FA genera S y Cout simultáneamente después de Tp
segundos (Tp : tiempo de propagación)
• Inestabilidad inicial debido a Tp
• Después de nTp segundos, el sumador produce la suma
total
• Desventaja: Tiempo de propagación muy largo (nTp)
32
Ripple Carry Adder
• Todas las células propagan:
• Sn requiere de Cn-1
• El tiempo de propagación será igual a 3(TpropFA)
A0 B0
C0
FA
S0
A1 B1
C1
FA
S1
A2 B2
C2
FA
S2
A3 B3
C3
FA
S3
C4
S4
33
Ripple Carry Adder
• Si al menos una de las células FA no propaga Carry:
• Sn no requerirá de Cn-1
• El tiempo de propagación será igual a 2(TpropFA
A0 B0
C0
FAp
S0
A1 B1
C1
FAI
S1
A2 B2
C2
FAp
S2
A3 B3
C3
FAI
S3
C4
S4
34
Ripple Carry Adder
• Análisis de la suma de 3 bits:
Ai Bi Ci
Ci+1
0 0 0
0 0 1
0
0
Ai = Bi  Generación
Ci+1 = Gi = Ai AND Bi
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Ai  Bi  Propagación
Ci+1 = Ci  Pi = Ai XOR Bi
Pi = ‘1’  Propagación de carry
Pi = ‘0’  Generación de carry
1 1 0
1 1 1
1
1
Ai = Bi  Generación
Ci+1 = Gi = Ai AND Bi
1
1
0
0
35
Ripple Carry Adder
• Análisis de la suma de 3 bits:
• A la entrada del sumador completo (3 bits) los bits A, B y Cin llegan al mismo
tiempo.
• Si sabemos desde ese momento que A = B o que A  B, entonces podemos
determinar, en base a la tabla anterior, si el Cout debe ser calculado en base a A, B,
Cin (generación) o si el Cout = Cin (propagación).
36
Optimización de la suma de 3 bits
• Con el fin de anticipar (predecir) si el Carry de salida debe ser calculado o
no, se ha modificado la célula del FA:
ai bi (t0)
•
•
•
•
Célula P
Célula G
Multiplexor
Célula S
T1
Ci +1
P
G
M
U
(tci+1)
T1
Ci (tci)
X
T2
S
Si (tsi)
T3
37
Optimización del sumador
ai bi
(t0)
• Célula:
P
T1
G
T1
Propagación
Generación
Ci +1
M
U
(tci+1)
Ci (tci)
X
T2
S
T3
Cálculo de la suma
Si (tsi)
38
Manchester Carry Chain Adder
• Se forma a base de células de suma de 3 bits optimizadas (P y G).
• El objetivo es tratar de predecir, desde el momento en que llegan los bits, si
una o varias células van a propagar el carry de entrada correspondiente.
• En el mejor de los casos todas las células generan el carry de salida:
Tsuma = T0
39
Manchester Carry Chain Adder
• Célula en modo de propagación:
P
Ci+1
G
M
U
X
Ci
S
Si
40
Manchester Carry Chain Adder
• Célula en modo generación:
P
G
M
Ci+1
U
X
Ci
S
Si
41
Manchester Carry Chain Adder
• Caso intermedio: Al menos una célula genera:
11
01
10
00
10
10
01
11
• En este caso las células de los bits cero, cuatro y cinco generaron Carry de
salida.
• Las demás células propagaron.
• El tiempo de la suma de 8 bits es 5t (la cadena más larga).
42
Manchester Carry Chain Adder
• Peor caso: todas las células propagan: La suma de
los bits n, requieren del carry del nivel n-1.
10
01
10
01
10
10
01
10
• El tiempo de la suma de 8 bits es 8t.
43
Manchester Carry Chain Adder
• Las compuertas que forman al FA
tienen distintos tiempos de
propagación (T1, T2, T3).
• Se supone que los módulos P y G
T1
tienen el mismo tiempo de
propagación T1.
• Los operandos ai, bi están disponibles Ci +1
en t0.
(tci+1)
• El carry de entrada Ci esta disponible
en el tiempo tci.
ai bi
(t0)
P
G
T1
M
U
Ci (tci)
X
T2
S
Si (tsi)
T3
44
Manchester Carry Chain Adder
ai bi
• Propagación ó Generación:
• Suma:
T1
(t0)
P
G
T1
tCi1  f (tCi , T1, T 2, T 3)
Ci +1
M
U
(tci+1)
tSi  f (tCi , T1, T 2, T 3)
Ci (tci)
X
T2
S
Si (tsi)
T3
45
Manchester Carry Chain Adder
• Si:
ai bi
tCi  t0
(t0)
• Propagación:
tCi1  T1  T 2
• Generación:
• Suma:
T1
Ci +1
tCi1  T1  T 2
P
G
M
U
(tci+1)
T1
Ci (tci)
X
T2
S
T3
t Si  T1  T 3
Si (tsi)
46
Manchester Carry Chain Adder
10
01
10
01
10
10
01
10
1
tC7
tC6
tC6
De cada Cout:
tC5
tC4
tC3
tC2
tC0
tC1
tCn  T1  T 2
47
Ejemplo 1: Cálculo del camino crítico en un
sumador MCC
• EL camino crítico se determina usando el peor escenario ( todos los FAs
propagan el acarreo)
• Calcular tcN y tsN de la siguiente figura:
t0
N-1
i
2
1
0
tC0
tci  T1  iT 2
tSN  T1  ( N  1)T 2  T 3
tc1  T1  T 2
tc 2  T1  2T 2
tc3  T1  3T 2
tcN  T1  N  T 2
48
Ejemplo 1: Cálculo del camino crítico en un
sumador MCC
tc1  T1  T 2
• El primer FA genera:
• Para los demás FAs:
tc 2  max tc1 , T 1  T 2  tc1  T 2  T 1  2T 2
tc 3  max tc 2 , T 1  T 2  tc 2  T 2  T 1  3T 2

tci  max tci 1 , T 1  T 2  tci 1  T 2  T 1  iT 2

tcN  max tcN 1 , T 1  T 2  tcN 1  T 2  T 1  N  T 2
t SN  max tcN 1 , T 1  T 3  tcN 1  T 2  T 1  ( N  1)T 2  T 3 49
Cálculo de los Ci independientes
• Se basa en el principio de que todos los operandos Ai y Bi llegan al
mismo tiempo.
• También consideraremos que el Cin para A0 y B0 es cero.
• Volveremos a utilizar las ecuaciones correspondientes a la generación y
a la propagación:
• P = AXORB
• G = AANDB
50
Cálculo de los Ci independientes
• Las ecuaciones de forma independiente para cara carry son:
• C0 = 0
• C1 = G0 + P0•C0
• C2 = G1 + P1•C1 = G1 + P1•(G0 + P0•C0)
• C3 = G2 + P2•C2 = G2 + P2•(G1 + P1•C1)
• C3 = G2 + P2•(G1 + P1•(G0 + P0•C0))
51
Cálculo de los Ci independientes
• En función de las ecuaciones de Generación y Propagación:
•
•
•
•
C0 = 0
C1 = G0 + P0•C0
C2 = G1 + P1•G0 + P0•P1•C0
C3 = G2 + P2•G1 + P1•P2•G0 + P0•P1•P2•C0
52
Aceleración de la propagación de los Ci
A0, B0
A1, B1
A2, B2
A3, B3
P0, G0
P1, G1
P2, G2
P3, G3
C0
C1
C2
C3
S0
S1
S2
S3
53
Carry LookAhead Adder
• Principio: acelerar la propagación del carry mediante el
conocimiento previo del mismo.
• Se considera que todos los operandos llegan al mismo
tiempo.
• El objetivo es construir un bloque independiente a la
suma que permita conocer, desde el momento t0, en
que nivel se va a generar y en que nivel se va a propagar
el carry.
54
Carry LookAhead Adder
C0
P1
G1
P2
G2
P3
G3
P4
G4
•4 bits de suma:
C1
C2
C3
C4
55
Carry Lookahead vs Ripple Carry
Ripple Carry Adder
Si  X i  Yi  Ci
Ci 1  X iYi  X i Ci  Yi Ci
Ci 1  XY  Ci ( X i  Yi )
Para un sumador
de n-bits
ADGG / LFGP
Critical path
Total delay: 2n+1
56
Carry Lookahead vs Ripple Carry
Carry Lookahead
Si  X i  Yi  Ci
C1  G0  P0C0
C2  G1  P1G0  P1 P0C0
Para un sumador
de n-bit
ADGG / LFGP
Total delay: 4 gate
delays
57
Sumador/Restador
• Recordando: El complemento ‘2 permite representar números
positivos y negativos usando el mismo número de bits, también
permite tener un único código para el cero.
• La resta se obtiene de la siguiente forma:
• Se obtiene el complemento ‘2 del número afectado por el signo
negativo.
• Se realiza una suma directa bit a bit.
• Si el Overflow es ‘1’, el resultado de la suma es la magnitud positiva
(resultado positivo).
• Si el Overflow es ‘0’, el resultado de la suma es la magnitud en
complemento a dos (resultado negativo).
58
Sumador/Restador
• Ejemplo:
1010 (10)
- 0010 (2)
(8)
‘2: 0010
1101
+ 1
1110 (14)
1010 (10)
+ 1110 (14)
1 1000 (8)
En este caso, como el OV = ‘1’ el
resultado es un número positivo y la
magnitud del mismo se obtiene
directamente
59
Sumador/Restador
• Ejemplo:
1010 (10)
- 1100 (12)
(-2)
‘2: 1100
0011
+ 1
0100 (8)
1010 (10)
+ 0100 (8)
0 1110 (14)
0001
+ 1
0010
En este caso, OV = ‘0’ el resultado es
un número negativo y la magnitud del
mismo se obtiene con el ‘2
60
Sumador/Restador
• Diseño del circuito:
A0
A1
/B0
‘1’
A2
/B1
A3
/B2
An
/B3
/Bn
FA
FA
FA
FA
FA
S0
S1
S2
S3
Sn
OV
61
Sumador/Restador
• Diseño del circuito:
A0
A1
B0
/B0
B1
/B1
‘0’
‘1’
A2
B2
/B2
A3
B3
/B3
An
Bn
/Bn
OV
Sumador de n bits
S0
S1
S2
S3
Sn
62
Sumador/Restador
• Diseño del circuito:
R/S
A0 B0
A1 B1
A2 B2
A3 B3
An Bn
OV
Sumador de n bits
S0
S1
S2
S3
Sn
63
Formato BCD
• BCD : Binary Coded Decimal
• Cada dígito en digital se codifica usando 4 bits
• Las combinaciones: 1010 (10), 1011 (11), 1100 (12), 1101 (13), 1110 (14) y
1111 (15) no son utilizadas
• Ejemplos:
• 9710  1001 0111BCD  1100001b
• 4510  0100 0101BCD  101101b
64
BCD a 7-Segment Display
BCD input
• Cada dígito codificado en 4 bits se codifica nuevamente en una
representación de 7 bits conforme al display de 7 segmentos:
LSB
LSB
A
a
B
C
BCD
to 7-segment
Display
decoder
b
c
d
e
f
D
g
0
1
2
3
4
5
6
65
Suma en BCD
• Muy similar a la suma convencional, solo requiere un ajuste cuando la
suma excede 9.
• Ejemplo: Suma de 2 dígitos en BCD
•
•
•
•
Sea X= x3x2x1x0 y Y= y3y2y1y0 números en BCD
Sea Z= z3z2z1z0 los bits de suma deseados
Si X + Y ≤ 9 la suma no sufre ninguna corrección
Si X + Y ≥ 9, el resultado necesita ser representado por 2 palabras de 4 bits (2
dígitos BCD). Los bits que se obtienen de la suma son incorrectos
66
Suma en BCD
•
Dos posibles casos cuando: X+Y ≥ 9
1.
La suma no excede 15 (no carry out)
8
 4
1 2
1 0 0 0
 0 1 0 0
1 1 0 0
 1 1 0
1 0 0 1 0
9
 5
1 4
1 0 0 1
 0 1 0 1
1 1 1 0
 1 1 0
1 0 1 0 0
La suma de 4 bits da un resultado en módulo 16. La suma en
decimal es módulo 10. La corrección de un decimal de peso
superior se obtiene al sumar 6 cuando el resultado excede de 9.
67
Suma en BCD
•
Dos posibles casos cuando: X+Y ≥ 9
2.
La suma excede de 15 (carry out)
8
 8
1 6
1 0 0 0
 1 0 0 0
1 0 0 0 0
 1 1 0
1 0 1 1 0
9
 9
1 8
1 0 0 1
 1 0 0 1
1 0 0 1 0
 1 1 0
1 1 0 0 0
9
 6
1 5
1 0 0 1
 0 1 1 0
0 1 1 1 1
 1 1 0
1 0 1 0 1
La suma de 4 bits da un resultado en módulo 16. La suma en
decimal es módulo 10. La corrección de un decimal de peso
superior se obtiene al sumar 6 cuando el resultado excede de 9.
68
Sumador en BCD de un dígito: Arquitectura
X
• Primer aproximación
de la implementación
en Hardware
Y
Adder
Sum > 9 ?
Z
6
Correction
0
MUX
Cout
Adder
Sum
69
Suma en BCD de dos dígitos
• Mas allá de una suma con un dígito:
• El Carry-Out de la suma de correcciónentra como Carry-In de la suma de 4
bits del dígito BCD siguiente
Resultado mayor a
“1001”? SI
+ “0110”
38
 97
135
0
 1
1
0
1
0
Carry-Out de la suma de corrección entra a
la segunda suma como Carry-In
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
Resultado mayor a “1001”?
SI
+ “0110”
70
Suma en BCD de dos dígitos
Resultado mayor a
“1001”? SI
+ “0110”
87

62
149
1
 0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
Resultado mayor a “1001”?
NO
No sumar “0110”
71
Suma en BCD de dos dígitos: Arquitectura
X1
Z
6
Sum > 9 ?
MUX
Cout
Z
6
0
Correction
Cout
Y0
Adder
Adder
Sum > 9 ?
Sum2
X0
Carry- out
Carry- out
Correction
Y1
0
MUX
Adder
Adder
Sum1
Sum0
72
Optimización del circuito
• Caso: cuando la suma + “0110” es requerida
• Suma mayor a “1001”
•
•
•
•
•
•
•
(10) 1010
(11) 1011
(12) 1100
(13) 1101
(14) 1110
(15) 1111
Carry-out = 1 (suma mayor a 15)
Combinaciones de bits en común:
If Z3=1 and (Z2=1 or Z1=1)
Or carry-out = 1
Corrección = Carry-Out OR (Z3=1 AND (Z2=1 OR Z1=1)
73
Hardware Architecture
X
Y
Cin
Binary Adder
z3
z2
z1
z0
Binary Adder
Cout (S4)
S3
S2
S1
S0
74
Suma en BCD de dos dígitos
X1
Y1
X0
Y0
Cin
Binary Adder
z3
z2
z1
z0
Cout
z3
Binary Adder
Cout
S2
S3
S2
S1
S1
Cin
Binary Adder
z2
z1
z0
Binary Adder
S0
S3
S2
S1
S0
S0
75
Multiplicador
• Existen varios métodos básicos para el cálculo de la
multiplicación de dos números (A, B) de N bits:
• Almacenamiento de los 22*N resultados posibles en una
memoria ROM y utilizar los 2*N bits para el direccionamiento.
• Calcular los 2N funciones lógicas y realizar la suma
correspondiente.
• En base a la codificación anterior optimizar teniendo en cuenta
una relación de dependencia entre los números A y B y el
resultado M.
76
Multiplicador
• La multiplicación consiste en una serie de
operaciones AND entre los distintos bits y una serie
de sumas.
• Se requieren de 2N compuertas AND.
• Se requiere de N sumadores de N bits
• Problema: Extensión del signo.
• Problema: Tratamiento del signo del operando B.
77
Multiplicación
X
A3 A2 A1 A0
A
B3 B2 B1 B0
B
B
A/0
A/1
A codificado
A
(+/-)(A/N)2 i
+
A*B
A/2
A/3
R=  Bi A 2 i
78
Codificación de los productos parciales
a3
a2
a1
a0
a3 b0 a2 b0 a1 b0 a0 b0 b0
a3 b1 a2 b1 a1 b1 a0 b1
b1
a3 b2 a2 b2 a1 b2 a0 b2
b2
a3 b3 a2 b3 a1 b3 a0 b3
M7 M 6
M5
M4
M3
b3
M2
M1
M0
Arreglo de compuertas AND
ADGG / LFGP
79
Multiplicación
A3
A2
A1
A0
B0
A3/0
A2/0
A1/0
A0/0
B1
A3/1
A2/1
A1/1
A0/1
B2
A3/2
A2/2
A1/2
A0/2
B3
A3/3
A2/3
A1/3
A0/3
Matriz de sumas
M7
M6
M5
M4
M3
M2
M1
M0
80
Multiplicación
A3/1
A2/1
HA
A3/2
A3/3
FA
M7
M6
A2/3
FA
M5
A1/2
FA
A1/3
FA
M4
A1/1
FA
A2/2
FA
A3/0
FA
A2/0
FA
A0/1
A1/0
A0/0
HA
A0/2
HA
A0/3
HA
M3
M2
M1
M0
81
Multiplicación
• Si suponemos que todos los productos intermedios se calculan en un
tiempo T, y que cada sumador realiza su operación en un tiempo ts,
el resultado para una multiplicación de dos números de N bits será
igual al número de operadores de suma que compone el camino
crítico:
• Total de células sumadoras: 12 (8 FA, y 4 HA)
• CAMINO CRÍTICO: 10 (8 FA, 2 HA)
82
Multiplicación
A3/1
A2/1
HA
A3/2
A3/3
FA
M7
M6
A2/3
FA
M5
A1/2
FA
A1/3
FA
M4
A1/1
FA
A2/2
FA
A3/0
FA
A2/0
FA
A0/1
A1/0
A0/0
HA
A0/2
HA
A0/3
HA
M3
M2
M1
M0
83
Multiplicación
• Descripción de la multiplicación sin signo en dos
bloques:
A3 A2 A1 A0
Codificador A/N
B0
B1
B2
B3
Sumatoria de A/N
M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0
84
Multiplicación de números con signo
• Multiplicación de números negativos:
• Representación en complemento a 2.
• Si B es negativo, entonces el último producto parcial se
obtiene con el complemento a 2 de A:
• B3*23*(/A+1) = 23*(B3*/A+B3)
• En este caso si B3=‘1’ se realiza el complemento a 2 y el ajuste.
• Si B3=‘0’ el producto parcial es cero y no hay ajuste.
85
Extensión de signo (Si B es negativo)
A3
A2
A1
A0
B0
A3/0
A2/0
A1/0
A0/0
B1
A3/1
A2/1
A1/1
A0/1
B2
A3/2
A2/2
A1/2
A0/2
B3
A3/3
A2/3
A1/3
A0/3
Matriz de sumas
M7
M6
M5
M4
M3
M2
M1
M0
86
Multiplicación de números con signo
• Multiplicación de números negativos:
• Si A y B son negativos, se representan en ‘2 y se expande el resultado de cada
producto intermedio copiando el MSb. También se aplica el ajuste anterior (B
negativo)
• Si sólo A es negativo solamente se expande el resultado de cada producto
intermedio copiando el MSb.
87
Multiplicación
• Realice los siguientes ejercicios:
0 1 0 1 (5)
X 0 1 1 0 (6)
1 1 0 1 (-3)
X 0 1 0 1 (5)
1 0 1 1 (-5)
X 1 0 1 0 (-6)
88
Multiplicación de números con signo
• Solución de los ejercicios:
Extensión de signo
0 1 0 1 (5)
X 0 1 1 0 (6)
0000
01010101-0000---
1 1 0 1 (-3)
X 0 1 0 1 (5)
1111101
000000 11101 - 0000- - -
0011110
1 1 1 0 0 0 1 (-15) 0 0 1 1 1 1 0 (30)
(30)
Complemento a 2
1 0 1 1 (-5)
X 1 0 1 0 (-6)
0000000
111011 00000 - 0101 - - -
89
Multiplicación de números con signo
• Efectuar el corrimiento hacia la izquierda y extensión
de signo.
• El último operando se representa en complemento a 2
de A si B es negativo (MSB = ‘1’), en otro caso, el
último operando es cero:
 A  bN 1 2 N 1  A  1  2 N 1 bN 1 A  bN 1 
• Físicamente, la implementación consiste
complementar el operando A y sumar el término:
en
bN 1 2 N 1
90
Multiplicación de números con signo
-a3 b3
a3
a2
a1
a0
-a3 b0
a2 b0
a1 b0
a0 b 0
-a3 b1
a2 b1
a1 b1
a0 b1
-a3 b2
a2 b 2
a1 b2
a0 b2
a2 b3
a1 b 3
a0 b3
b0
b1
b2
b3
b3
M7
M6
M5
M4
M3
M2
M1
M0
91
Multiplicación de números con signo
A3
A2
A1
A0
B0
A3/0
A3/0
A2/0
A1/0
A0/0
B1
A3/1
A3/1
A2/1
A1/1
A0/1
B2
A3/2
A3/2
A2/2
A1/2
A0/2
B3
A3/3
A2/3
A1/3
A0/3
23B3
Matriz de sumas
M7
M6
M5
M4
M3
M2
M1
M0
92
Multiplicación de números con signo
• La codificación de los productos parciales se realiza
en paralelo.
N 1
b
2
• La suma del término: N 1
se realizará en el
arreglo sumador.
• El camino crítico se compone de una AND y una
compuerta NOT.
• La velocidad del multiplicador dependerá en gran
medida del bloque de sumas
93
Multiplicación
• Para acelerar el resultado de la multiplicación se
debe optimizar el camino crítico, es decir, el camino
mas largo que deben recorrer las entradas A y B
para generar el resultado M.
• En este caso, todos los productos intermedios
estarán calculados al mismo tiempo por lo que no
representan parte del camino crítico.
• El camino crítico estará definido por la suma de
productos intermedios mas grande.
94
Multiplicación
• Con el fin de acelerar la suma de multi-operandos,
es mas conveniente optimizar desde el punto de
vista de la palabra (y no del bit).
• El incremento de velocidad de cálculo usando este
método no implica necesariamente aumentar la
complejidad material debido a que el número de FA
es fijo.
• Solo si se requiere optimizar velocidad, la
dimensión de bit (columna) será considerada.
95
Multiplicación
• Estructura de sumas de 3 bits:
• Estrictamente hablando, un FA realiza una suma de 3 bits ( A, B, Cin) y nos
arroja un resultado sobre 2 bits ( S, Cout).
• Al analizar la estructura del multiplicador podemos
darnos cuenta de que un operador de suma de 3 bits
podría reducir la complejidad material (CSA).
• Ejemplo: suma de A2/0, A1/1, A0/2
96
Carry Save Adders (CSA)
• En un CSA, el carry no es usado en la suma que le corresponde sino que
se sumará en el renglón siguiente.
• El CSA puede ser aplicado en todos los renglones excepto en el último,
en donde se requiere de un sumador rápido que procese el carry final
mediante un sumador rápido o de vector resultante.
• Ventajas:
• Las sumas para posiciones de bit distintas dentro del mismo renglón son
independientes entre ellas y generan un carry en paralelo.
• Al optimizar el desempeño de la suma se optimiza de forma directa el
desempeño del multiplicador.
97
Carry Save Adder
• Se tiene el siguiente esquema:
A3
B3
C3
A3
B3
C3
A3
B3
C3
A3
B3
C3
S3
FA
Co3
S3
FA
Co3
S3
FA
Co3
N
A
N
Co
N
B
C.S.A
N
N
S
C
S3
FA
Co3
A+B+C=S+2 CY
98
Carry Save Adder
• Si el Ripple Carry Adder 
• CY0 = C1; CY1 = C2; CY2 = C3
• El CSA realiza la suma de 3 operandos (A, B y C) y entrega 2
resultados:
• Una palabra de suma, S, del mismo orden 2i
• Una palabra de carry, CY, de orden 2i+1
A+B+C=S+2 CY
99
Carry Save Adder
• Lógica redundante (suma de 3 palabras de N bits):
X+Y+Z
X+Y+Z
X= 0 0 1 0 1 0 1 0 1
Y= 0 1 0 1 0 1 1 1 0
X= 0 0 1 0 1 0 1 0 1
Y= 0 1 0 1 0 1 1 1 0
Z= 0 0 1 0 0 0 1 0 1
r=100000011
Z= 0 0 1 0 0 0 1 0 1
R= 1 0 1 0 0 1 0 0 0
Suma
S=
010111110
C= 0 0 1 0 0 0 1 0 1
carry
R= 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0
100
Carry Save Adder
Multiplicación usando un CSA:
0 1 0 0 1 A=9
x 1 1 1 0 1 B=-3
0 1 0 0 1 A1=A
0 0 0 0 0
0 1 0 0 1
0 1 0 0 1
1 0 1 1 1
A2=0
A3=A
A4=A
A5=-A
0 1 0 0 1 A1
A2
+
0 0 0 0 0
A3
+ 0 1 0 0 1
+ 0
+ 0
0
+ 0 0
+ 1 0
0 1 0 1 1 0 1 S1
0 0 0 0 0 0
CY1
A4
1 0 0 1
1 1 0 0 1 0 1 S2
CY2
0 0 1
A5
1 1 1
1 0 0 0 0 0 1 0 1 S3
CY3
+ 0 1 1 1
1 1 1 1 0 0 1 0 1 R=-27
101
Principio del CSA:
0
0
0
0
0
0
0
0
• Diseño de una estructura basada en un FA que cuenta el número de ‘1’s
de una palabra de 8 bits.
• Solución: Controlar los corrimientos hacia la izquierda (potencias de 2)
generados durante la suma multi-operandos.
0
0
HA
0
0
0
0
1
FA
0
1
FA
1
1
1
1
FA
HA
1
0
2
FA 1
2
2
HA 3
102
CSA
• Utilización de CSA para una suma de N operandos:
• Suma en serie:
A1
A2
A3
CSA
CSA
A4
CSA
A5
CSA
A6
CSA
SUMADOR
RÁPIDO
A7
103
CSA
• Utilización de CSA para una suma de N operandos:
• Suma en paralelo:
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
CSA
CSA
CSA
CSA
SUMADOR
RÁPIDO
CSA
CSA
CSA
104
Sumador Rápido
• El sumador rápido o de vector resultante puede ser implementado con un
carry Save Adder o on un Ripple Carry Adder de forma indistinta.
• Ejemplo de un Carry Save VMA (Vector Merging Adder):
A3
A2
A1
A0
HA
HA
HA
HA
HA
HA
HA
HA
HA
HA
105
Sumador Rápido
• VMA implementado con un Ripple Carry Adder:
FA
FA
FA
HA
A3
A2
A1
A0
106
Sumador Rápido
• Mezcla de las 2 arquitecturas:
FA
HA
HA
HA
A3
A2
FA
A1
HA
A0
107
Multiplicación con CSA
• En la suma CSA, la propagación se realiza solo en la dimensión de la
palabra (renglón)
• Propagación en el sentido de las columnas se realiza al final usando el
vector resultante.
108
Multiplicación con CSA
• La velocidad (considerando un arreglo en árbol):
• Tp (árbol) + Tp (sumador rápido)  log(1.5N) + Tp(sumador rápido)
• Tamaño (considerando estructura en árbol):
• Se requere (N-2) CSA.
• La técnica usando CSA ofrece el mejor compromiso
de Velocidad/Tamaño para la suma multioperandos.
109
Multiplicador Serie-Paralelo
• La Multiplicación puede ser re-estructurada en base a
operaciones simples a realizarse de forma sucesiva o
iterativa.
• Esto permite reducir drásticamente la complejidad
material del circuito.
• Arquitectura Serie-Paralelo:
•
•
•
•
Multiplicar el operando “A” con cada bit del operando “B”
Recorrer hacia la izquierda cada producto parcial
Acumular los productos parciales conforme se generan
Utilizar un circuito síncrono para controlar el proceso
110
Multiplicador Serie-Paralelo
0 1 1 0
x 1 0 1 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 1 0
0 0 0 0 0
1 0 1 0
Operando “A”
Operando “B”
“A” x B0
“A” x B1
“A” x B2
“A” x B3
Shift a la
Izquierda según
la potencia de n2
que corresponda
a cada bit de “B”
1 0 1 1 1 0 0 (-36)
El resultado es producto de una suma de todos los productos parciales
111
Multiplicador Serie-Paralelo
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
Shift
0
0
0
0
Add
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
x
0 1 1 0
x 1 0 1 0
0 0 0 0 0 0 0
+
0 0 0 1 1 0
0 0 0 0 0
+
1 0 1 0
1 0 1 1 1 0 0 (-36)
+
Shift
0
Add
Shift
0
0
Add
Shift
1
0
0
ADD
112
Multiplicador Serie-Paralelo
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
Shift
0
0
0
0
Add
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
x
Producto parcial = 0
+
Producto parcial = A
+
Producto parcial = 0
Producto parcial = A
+
Shift
0
Add
Shift
0
0
Add
Shift
1
0
0
ADD
113
Arquitectura del circuito
0
B
(serial)
A
MUX
Fast Adder
Shift / Accumulation Register
114
Arquitectura del circuito
• El multiplicador Serie-Paralelo es un circuito secuencial
• La arquitectura consiste de:
• Un multiplexor:
• Producto Parcia = 0, si Bn = ‘0’
• Producto Parcial = A, si Bn = ‘1’
• Sumador: suma la salida del multiplexor (A ó 0) que corresponde al
producto parcial Bn con el contenido del registro (Producto Parcial
previamente acumulado correspondiente a Bn-1)
• Shift / accumulation register: Almacena el resultado en el acumulador y
realiza el corrimiento (shift)
• En lugar de hacer corrimientos hacia la izquierda (como se haría en la
multiplicación normal) se hace un corrimiento a la derecha del contenido
del acumulador
115
Diseño del circuito
• Requerimientos para un multiplicador de n-bits
• Un registro de n-bits para el multiplicando
• Un registro de n-bits para el multiplicador
• Un registro de corrimiento para el producto de 2n-bits
• El registro del producto también se usa como registro acumulador para
almacenar las sumas de los productos parciales conforme son generados
• IDEA: al usar una arquitectura iterativa de este tipo, el corrimiento dentro
del registro de 2n-bits es hacia la derecha.
• ¿explique porqué?
116
Arquitectura del circuito
Ad : Add enable signal
Sh : Shift enable signal
C : Carry out signal
M: Multiplier bit
Shift sense
Accumulator
CLK
Multiplier (B)
M
C
Adder
Ad
Control
(FSM)
Start
CLK
Sh
Multiplicand (A)
117
Arquitectura del circuito: Ejemplo
• Multiplicar 13x11 = 143 (“1101” x “1011”= “10001111”)
Contenido inicial del registro
0 0 0 0 0 1
( " A" en M  1)
1 1
0 1 1
Shift
0 0 1 1
1 1
Despúes de sumar
1
Shift
0 1
M
0 1
Después de sumar
( " A" en M  1)
0 1 1
0 1 1
0 1 1
0 1 1
0 1
M
0 1
0 0 1 1 1 1
0 1
0 0 1 1 1 1
0
M
0 0 1 1 1 1
M
(Salto de suma en M  0)
Shift
0 0 1
( " A" en M  1)
1 1
Después de sumar
1
Shift (Resultado final)
0 1
0 1
0 0 0 1 1 1 1 1
Línea divisoria entre el
producto y el multiplicador
0 0 0 1 1 1 1
118
Arquitectura del circuito
• Pseudo-código
• Máquina de Estados
A, B son los operandos (n bits)
P es el registro en donde se
almacenará el producto final
P = 0; // inicialización
for i=0 to n-1 do
if bi = 1 then
P = P + A;
end if;
left-shift A;
end for;
119
Desempeño:
• El cálculo de la multiplicación a través de un arreglo
serie-paralelo es más pequeño que un multiplicador
paralelo tradicional
• Serie-paralelo: una multiplicación en B ciclos de reloj
• Paralelo: una multiplicación por ciclo de reloj
• Sin embargo, el camino crítico es mas pequeño en el
arreglo serie-paralelo  El circuito puede operar a
frecuencias de reloj superiores
120
División
• La división, como todos sabemos, es una serie de divisiones
sucesivas.
• El objetivo es ver, para A/B cuantas veces cabe el número B en A. O
en otras palabras por qué número tengo que multiplicar B para
obtener A.
• Se obtiene un cociente y un residuo.
121
Principio del algoritmo:
0 0 0 0 1 1 1 1
1 5
9 1 4 0
Divisor
9
5 0
4 5
5
Pseudo-código
Residuo = 0;
for i=0 to n-1 do
Left-shift (Residuo & Dividendo);
if Residuo ≥ Divisor then
Cociente(i) = 1;
Residuo = Residuo - Divisor;
else
Cociente(i) = 0;
end if;
end for;
1001 1 0 0 0 1 1 0 0
Cociente
Dividendo
1 0 0 1
1 0 0 0 1
1 0 0 1
1 0 0 0 0
1 0 0 1
1 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1
Residuo
122
Architectura
• La división es vista como una serie de restas y
corrimientos
• En lugar de recorrer hacia la derecha el divisor
después de una resta, se recorre a la izquierda
• En lugar de usar un registro separado para almacenar
el cociente, éste será generado bit a bit e introducido
por la orilla derecha del registro del dividendo en cada
corrimiento a la izquierda
123
División
• Ejemplo:
101
110 100010
-110
101
-000
1010
-110
100
Cociente
Resta
Compara
Resta
Residuo
124
Divisor
• Circuito:
Dividend register
Sub
Sh
La señal “C” indica si el
divisor es mayor al
conjunto de bits del
dividendo con los que
fue restado, y va
conformando bit a bit el
cociente
Start
Subtractor and
Comparator
C
control
rst
C = 0, no resta
C = 1, resta
clk
0
Divisor register
Ov (optional)
125
Ejemplo de la operación:
Contenido inicial del registro del dividendo
Dividir:
10001100/1001
Q= 1111 R=101
(Saltar resta en C  0)
Shift
t 0
0 1 0 0 0 1 1 0 0
1 0 0 1
C0
1 0 0 0 1 1 0 0 0
t 1
(- divisor en C  1)
Después de la resta
1 0 0 1
0 1 0 0 0 1 0 0 0
Shift
(- divisor en C  1)
1 0 0 0 1 0 0 0 1
1 0 0 1
Después de la resta
0 1 0 0 0 0 0 0 1
Shift
(- divisor en C  1)
1 0 0 0 0 0 0 1 1
1 0 0 1
Después de la resta
Shift
0 0 1 1 1 0 0 1 1
0 1 1 1 0 0 1 1 1
(- divisor en C  1)
Después de la resta
1 0 0 1
C 1
0 0 1 0 1 0 1 1 1
Shift
0 1 0 1 0 1 1 1 1
Residuo
C 1
t2
C 1
t 3
C 1
t4
t 5
Cociente
126