Разработка средства функционального диагностирования вычислительных устройств

Введение

В данной курсовой работе выполняется проектирование блоков устройства контроля по модулю три матричного умножителя с сокращением вычислений для обработки мантисс чисел с плавающей точкой. Арифметическая операция выполняется с сохранением одинаковой разрядности для операндов и результатов. Операции с плавающей точкой содержат умножение, удваивающее разрядность полного результата. Поэтому при обработке мантисс по n-разрядным операндам вычисляется округленный n-разрядный результат, т.е. Имеет место потеря n младших разрядов полного 2n-разрядного результата.

Использование сокращенных методов выполнения операций позволяет вдвое или почти вдвое снизить затраты оборудования и времени на выполнение операции.

Методы функционального диагностирования обеспечивают достоверность функционирования вычислительных устройств. Основным методом функционального диагностирования вычислительных устройств является контроль по модулю. Он обладает высокой обнаруживающей способностью и простотой реализации для полноразрядных вычислительных устройств. Функциональное диагностирование современных вычислительных устройств требует умения выполнять контроль по модулю производительных вычислительных устройств с плавающей точкой. Поэтому в курсовой работе затрагивается этот вопрос.

1. Определение варианта задания

Вариант задания определяется по номеру Z = 104, который был выдан преподавателем. Курсовая работа является комплексной – номер варианта выдается двум студентам. Я выполняю первую часть работы – разрабатываю блоки контроля вычисления контрольных кодов КА и КВ.

По номеру Z определяются параметры:

X = Z mod 9 = 10 mod 9 = 1,

Y = Z mod 4 = 10 mod 4 = 2.

По параметру X определяется шаг изменения размеров образующих фрагмента:

X mod 3 = 5 mod 3 = 2 – остаток и 1 – частное, т.е. шаг для верхнего фрагмента равен 2, а для нижнего фрагмента – 4.

Параметр Y определяет сомножители, по которым образующие верхних и нижних фрагментов меняют свой размер. Для Y равного 2, верхнее и нижнее разбиения задаются по операнду В.

Вариант задается видом разбиения матрицы конъюнкций прозведения на фрагменты (МКП).

2. Разбиение МКП на фрагменты

Разбиение МКП на фрагменты представлено на рис. 1.

Фрагменты разбиения:

V1 = – A{6}*B{36}*2^-42

V2 = – A {7,8}*B {35,36}*2^-44

V3 = – A{8}*B{34}*2^-42

V4 = – A {9:12}*B {33:36}*2^-48

V5 = – A{10}*B{32}*2^-42

V6 = – A {11,12}*B {31,32}*2^-44

V7 = – A{12}*B{30}*2^-42

V8 = – A {13:16}*B {29:36}*2^-52

V9 = – A{14}*B{28}*2^-42

V10 = – A {15,16}*B {27,28}*2^-44

V11 = – A{16}*B{26}*2^-42

V12 = – A {17:20}*B {25:36}*2^-56

V13 = – A{18}*B{24}*2^-42

V14 = – A {19,20}*B {23,24}*2^-44

V15 = – A{20}*B{22}*2^-42

V16 = – A {21:36}*B {21:36}*2^-72

V17 = – A{22}*B{20}*2^-42

V18 = – A {23,24}*B {19,20}*2^-44

V19 = – A{24}*B{18}*2^-42

V20 = – A {25,26}*B {17:20}*2^-46

V21 = – A{26}*B{16}*2^-42

V22 = – A {27,28}*B {15:20}*2^-48

V23 = – A{28}*B{14}*2^-42

V24 = – A {29,30}*B {13:20}*2^-50

V25 = – A{30}*B{12}*2^-42

V26 = – A {31,32}*B {11:20}*2^-52

V27 = – A{32}*B{10}*2^-42

V28 = – A {33,34}*B {9:20}*2^-54

V29 = – A{34}*B{8}*2^-42

V30 = – A {35,36}*B {7:20}*2^-56

V31 = – A{36}*B{6}*2^-42

V32 = – A {1:36}*B {1:36}*2^-72

3. Формирование контрольных кодов КАi и КВi

Составляемые контрольные коды (их длина не превышает L = 2, так как M = 3):

1) KA1 = A{6}*2^-6 = A{6}

KA2 = A {7,8}*2^-8 = A {7,8}

KA3 = A{8}

KA5 = A{10}

KA6 = A {11,12}

KA7 = A{12}

KA9 = A{14}

KA10 = A {15,16}

KA11 = A{16}

KA13 = A{18}

KA14 = A {19,20}

KA15 = A{20}

KA17 = A{22}

KA18 = A {23,24}

KA19 = A{24}

КА20 = A {25,26}

KA21 = A{26}

KA22 = A {27,28}

KA23 = A{28}

КА24 = A {29,30}

KA25 = A{30}

KA26 = A {31,32}

KA27 = A{32}

КА28 = A {33,34}

KA29 = A{34}

KA30 = A {35,36}

KA31 = A{36}

2) KB1 = B{36}*2^-36 = B{36}

KB2 = B {35,36}*2^-36 = B {35,36}

KB3 = B{34}

KB5 = B{32}

KB6 = B {31,32}

KB7 = B{30}

KB9 = B{28}

KB10 = B {27,28}

KB11 = B{26}

KB13 = B{24}

KB14 = B {23,24}

KB15 = B{22}

KB17 = B{20}

KB18 = B {19,20}

KB19 = B{18}

KB21 = B{16}

KB23 = B{14}

KB25 = B{12}

KB27 = B{10}

KB29 = B{8}

KB31 = B{6}

Вычисляемые контрольные коды (формируются при длине частей операндов превышающей L):

1) KA4 = (KA6 + A{9}*2^-9 + A{10}*2^-10) mod 3 = (KA6 – A{9} +A{10}) mod 3

KA8 = (KA10 – A{13} + A{14}) mod 3

KA12 = (KA14 – A{17} + A{18}) mod 3

KA16 = (KA18 + KA20 + KA22 + KA24 + KA26 + KA28 + KA30 – A{21} + A{22}) mod 3

KA32 = (KA16 + KA12 + KA8 + KA4 – A {1,3,5,7} + A {2,4,6,8}) mod 3

2) KB4 = (B{34}*2^-34 +B{33}*2^-33 + KB2) mod 3 = (KB2 + B{34} – B{33}) mod 3

KB8 = (B{30} – B{29} + KB4 + KB6) mod 3

KB12 = (B{26} – B{25} + KB8 + KB10) mod 3

KB16 = (B{22} – B{21} + KB12 + KB14) mod 3

KB20 = (B{18} – B{17} + KB18) mod 3

KB22 = (B{16} – B{15} + KB20) mod 3

KB24 = (B{14} – B{13} + KB22) mod 3

KB26 = (B{12} – B{11} + KB24) mod 3

KB28 = (B{10} – B{9} + KB26) mod 3

KB30 = (B{8} – B{7} + KB28) mod 3

KB32 = (B {2,4,6} – B {1,3,5} + KB30 + KB16) mod 3

4. Блоки контроля операндов

На сумматорах по модулю три выполняется свертка операндов А и В с формированием вычисляемых контрольных кодов КА_i и КB_i. Последние вычисляемые контрольные коды КА₃₂ и КB₃₂ являются результатами свертки. Они сравниваются на сумматоре по модулю три с входными контрольными кодами КА операнда А и КВ операнда В соответственно. Для этого входной контрольный код подключен инверсно: первый разряд – к входу с весом 2, а второй разряд – к входу с весом 1. На первом прямом и инверсном втором выходах сумматора по модулю три формируется код контроля КК_А операнда А (КК_В операнда В).

Блок контроля вычисления контрольных кодов КA_i

Для рассматриваемого разбиения МКП блок контроля БК_А с прямым порядком вычисления контрольных кодов КA_i представлен в приложении 1.

Блок контроля вычисления контрольных кодов КB_i

Для рассматриваемого разбиения МКП блок контроля БК_Б с прямым порядком вычисления контрольных кодов КВ_i представлен в приложении 2.

5. Описание блоков устройства контроля

Схемы блоков устройства контроля описываются прямым списком, который оформляется с использованием таблиц.

Для каждого элемента заполняется отдельная таблица. Столбец таблицы содержит описание соединений входов и выходов одного элемента. Входами элемента являются входы устройства контроля или выходы других элементов.

Описание схемы блока контроля БК_А приведено в табл. 1.

Таблица 1

Таблица 1 продолжение

Описание схемы блока контроля БК_Б приведено в табл. 2.

Таблица 2

Таблица 2 продолжение

6. Алгоритмы получения описаний

Процедуры получения описаний схем блоков устройства контроля формализованы в виде алгоритмов составления таблиц.

Таблицы представляются двухмерными массивами данных.

Для разработки алгоритмов были выполнены:

· Обобщение содержания таблиц, с помощью выделения среди ее чисел ключевых данных и выражения их через параметры n, k;

· Определение закономерностей изменения чисел в столбцах и строках таблицы.

Алгоритм, описывающий табл. 1., представлен в приложении 3.

Блок 2 описывает ввод данных:

· n – разрядность МКП;

· k – количество отбрасываемых разрядов.

В блоке 3,4 и 5 представлены ключевые данные:

· d1 = первое значение в таблице 1, которое соответствует разрядности МКП;

· d2 = 4*n – k + 5 – номер выхода первого сумматора по модулю три в схеме.

· d3 = n/2+3 – количество столбцов в таблице 1.

· L = n – k – Количество разрядов в усеченном результате.

· as1 = (n/4 +n % 2) – Количество сумматоров в первом ряду.

· as2 = as1 + L – Количество сумматоров во втором ряду.

· as3 = (as2+as2% 2) /2 – Количество сумматоров в третьем ряду.

· as4 = (as3+as3% 2) /2 – Количество сумматоров в четвертом ряду.

Блоки 10,6 определяет данные последнего столбца элементоа первого ряда табл. 1.

В блоках 7 – 9 задан цикл по столбцам, начиная со второго и заканчивая последним столбцом. В цикле определяют данные последних двух строк таблицы. Номер выхода в строке увеличивается на 2 для каждого последующего столбца.

В блоках 11 – 15 заданы циклы по строкам 1: 4 и по столбцам 1: as1. В цикле определяются входы сумматоров по модулю три, определяющих вычисляемые контрольные коды.

Блок 16,17 определяет данные первого столбца элементоа первого ряда табл. 1.

Блок 18,19,23 – подпрограмма заполняющая массив х. В подпрограмму передаем следующие параметры imin, imax, iinc, jmin, jmax, jinc,

В блоке 20–22, задаются номера входов разрядов контрольного кода КА16 {1,2}, а также номер выхода первого в таблице сумматора по модулю три, который подается на вход следующего сумматора.

В блоке 27–29, задаются номера входов разрядов контрольного кода КА12 {1,2}, а также номер выхода первого в таблице сумматора по модулю три, который подается на вход следующего сумматора.

В блоке 24–26, заполним столбцы таблицы, первый столбец в четвертом ряду

В блоке 30, задаются номера входов разрядов контрольного кода КА32 {1,2}, а также номер выхода первого в таблице сумматора по модулю три, который подается на вход следующего сумматора.

Блок 31 вычитаем из свернутого операнда А его ККА, получаем признак корректности результата.

В блоке 32 производится вывод данных.

Алгоритм, описывающий табл. 2., представлен в приложении 3.

Блок 2 описывает ввод данных:

· n – разрядность МКП;

· k – количество отбрасываемых разрядов.

В блоке 3 представлены ключевые данные:

· d1 = (n-k)* 2 – первое значение в таблице 1;

· d2 = 8*n – 5*k -3 – номер выхода первого сумматора в таблице. 2.

· d3 = n – k – 3 – количество столбцов в таблице 2.

· as1 = n/4–2 – Количество сумматоров в первом ряду.

· Tail, head – переменые(указатели) хранят номер опорного и «заполняемого» элемента

Блоки 56,62 определяют данные первого столбца таблицы 2.

В блоках 63 – 65 задан цикл по столбцам, начиная со второго и заканчивая последним столбцом. В цикле определяют данные последних двух строк таблицы, а также первых двух строк. Номер выхода в строке увеличивается на 2 для каждого последующего столбца.

В блоках 57 – 61 заданы циклы по строкам 1: 4 и по столбцам 1: as1. В цикле определяются входы сумматоров по модулю три, определяющих вычисляемые контрольные коды.

В блоках 66 – 68 заполняются первый два столбца таблицы.

Заполнением данными столбцы 9,11,13,15,17; 10,12,14,16.

Установим указатели tail и head, на опорный элемент, тот элемент откуда берутся данные, и тот, который заполняется.

В блоках 72 – 76 заполним данными 10,12,14,16 элементы. Инициализируем tail, head, затем вызываем подпрограмму, увеличиваем tail, head. В цикле определяются входы сумматоров по модулю три, определяющих вычисляемые контрольные коды. Определим КВ22, КВ24, КВ26, КВ28, КВ30.

В блоках 77 – 85 заполним 11,13,15,17 данными элементы. В цикле вызываем подпрограмму, увеличиваем tail, head. Определим КВ4, КВ8, КВ12, КВ16.

В блоке 86–88, задаются номера входов разрядов контрольного кода КВ32 {1,2}, а также номер выхода первого в таблице сумматора по модулю три, который подается на вход следующего сумматора.

Блок 89–91 вычитаем из свернутого операнда А его ККА, получаем признак корректности результата

В блоке 92 производится вывод данных.

7. Листинг программы, реализующей алгоритмы

1) Текст программы, реализующей описание схемы блока контроля БК_А.БКв

void __fastcall TForm1: Button1Click (TObject *Sender)

{

int d3b, d3a;

n = StrToInt (Edit1->Text);

k = StrToInt (Edit2->Text);

d3a = n/2 + 3;

d3b = (n – n % 2)/2;

StringGrid1->ColCount = d3a;

StringGrid2->ColCount = d3b;

for (int i=1; i<StringGrid1->ColCount; i++)

StringGrid1->Cells[i] [0]=i;

for (int i=1; i<StringGrid2->ColCount; i++)

StringGrid2->Cells[i] [0]=i;

String stroca1 [7]={«», «Âõ1», «Âõ2», «Âõ3», «Âõ4», «Âûõ1», «Âûõ2»};

for (int i=0; i<=7; i++)

{

StringGrid1->Cells[0] [i]=stroca1 [i].c_str();

StringGrid2->Cells[0] [i]=stroca1 [i].c_str();

}

StrGr1 ();

StrGr2 ();

}

// –

void __fastcall TForm1: Cycle (TStringGrid *tab, int imin, int imax, int iinc, int jmin, int jmax, int jinc)

{

for (int i=imin; i<imax; i=i+iinc) {

for (int j = jmin; j<jmax; j=j+jinc) {

if (n % 2 == 1) {

tab->Cells[i] [1] = tab->Cells [j-1] [6];

tab->Cells[i] [2] = tab->Cells [j-1] [5];

tab->Cells[i] [3] = tab->Cells[j] [6];

tab->Cells[i] [4] = tab->Cells[j] [5];

}

else {

tab->Cells[i] [1] = tab->Cells [j-1] [5];

tab->Cells[i] [2] = tab->Cells [j-1] [6];

tab->Cells[i] [3] = tab->Cells[j] [5];

tab->Cells[i] [4] = tab->Cells[j] [6];

}

}}}

// –

void __fastcall TForm1:IF1 (TStringGrid *tab, int head, int tail, int m)

{

if (n % 2 == 1) {

StringGrid1->Cells[head] [1] = StringGrid1->Cells[tail] [5];

StringGrid1->Cells[head] [2] = StringGrid1->Cells[tail] [6];

StringGrid1->Cells[head] [3] = StringGrid1->Cells[m] [5];

StringGrid1->Cells[head] [4] = StringGrid1->Cells[m] [6];

}

else

{

StringGrid1->Cells[head] [1] = StringGrid1->Cells[tail] [6];

StringGrid1->Cells[head] [2] = StringGrid1->Cells[tail] [5];

StringGrid1->Cells[head] [3] = StringGrid1->Cells[m] [6];

StringGrid1->Cells[head] [4] = StringGrid1->Cells[m] [5];

}}

// –

void __fastcall TForm1:IF2 (TStringGrid *tab, int head, int tail, int m, int m1)

{

if (n % 2 == 1) {

StringGrid1->Cells[head] [1] = StringGrid1->Cells[tail] [5];

StringGrid1->Cells[head] [2] = StringGrid1->Cells[tail] [6];

StringGrid1->Cells[head] [3] = StringGrid1->Cells[m] [5];

StringGrid1->Cells[head] [4] = StringGrid1->Cells[m] [6];

}

else

{

StringGrid1->Cells[head] [1] = StringGrid1->Cells[tail] [6];

StringGrid1->Cells[head] [2] = StringGrid1->Cells[tail] [5];

StringGrid1->Cells[head] [3] = m;

StringGrid1->Cells[head] [4] = m1;

}}

// –

void __fastcall TForm1: StrGr1 ()

{

int L, as1, as2, as3, as4, as5, d2a;

as1 = n/4 + n % 2;

as2 = as1 + L;

as3 = as2/2 + as2% 2;

as4 = as3/2 + as3% 2;

d2a = 4*n-k +5;

L = n-k;

StringGrid1->Cells[1] [5] = d2a;

StringGrid1->Cells[1] [6] = d2a+1;

for (int i=2; i<StringGrid1->ColCount; i++) {

StringGrid1->Cells[i] [5] = StringGrid1->Cells [i-1] [5]+2;

StringGrid1->Cells[i] [6] = StringGrid1->Cells[i] [6]+2;

}

StringGrid1->Cells[as1] [1] = n – 3;

StringGrid1->Cells[as1] [2] = n – 2;

StringGrid1->Cells[as1] [3] = n – 1;

StringGrid1->Cells[as1] [4] = n;

for (int i=(as1–1); i>=0; i–)

for (int j=4; j<=0; j–)

StringGrid1->Cells[i] [j] = StringGrid1->Cells [i+1] [j] – 4;

if (n % 2 == 1) {

StringGrid1->Cells[1] [1] = 0;

StringGrid1->Cells[1] [2] = 0;

StringGrid1->Cells[1] [3] = 0;

StringGrid1->Cells[1] [4] = 1;

}

Cycle (StringGrid1, as2, (as2-L/2), – 1, as1,0, – 2);

Cycle (StringGrid1, as3, (as3-L/4), – 1, as2,0, – 2);

Cycle (StringGrid1, (as1+1), (as2-L/2–1), 1,0,4,2);

IF1 (StringGrid1, as3+1, as2+1, as2+2);

IF1 (StringGrid1, as5, as3+1, as3+2);

IF2 (StringGrid1, as5+1, as5, n+2, n+1);

}

// –

void __fastcall TForm1: StrGr2 ()

{

int d2b, d1, d3, bs1, tail, head, m, m1;

d2b = 8*n-5*k-3;

d1 = (n-k)*2;

d3 = n-k-3;

bs1= n/4–2;

StringGrid2->Cells[1] [5] = d2b;

StringGrid2->Cells[1] [6] = d2b+1;

for (int i=2; i<StringGrid2->ColCount; i++) {

StringGrid2->Cells[i] [5] = StringGrid2->Cells [i-1] [5]+2;

StringGrid2->Cells[i] [6] = StringGrid2->Cells[i] [6]+2;

}

StringGrid2->Cells[bs1] [1] = n – 3;

StringGrid2->Cells[bs1] [2] = n – 2;

StringGrid2->Cells[bs1] [3] = n – 1;

StringGrid2->Cells[bs1] [4] = n;

for (int i=(bs1–1); i>d2b; i–)

for (int j=0; j<4; j++)

StringGrid2->Cells[i] [j] = StringGrid2->Cells [i+1] [j] – 4;

IF1 (StringGrid2, d1+2, d1, d3–2);

tail+=2;

head+=2;

IF1 (StringGrid2, d1+2, d1, d3–2);

if (n % 2 == 1) {

StringGrid2->Cells [head+2] [1] = StringGrid2->Cells[head] [6];

StringGrid2->Cells [head+2] [2] = StringGrid2->Cells[head] [5];

StringGrid2->Cells [head+2] [3] = StringGrid2->Cells [d3+1] [6];

StringGrid2->Cells [head+2] [4] = StringGrid2->Cells [d3+1] [5];

}

tail= d3;

m= 4*(k-1);

head = bs1+2;

for (int i=1; i<n-k; i++)

{

IF2 (StringGrid2, head, tail, m, m-1);

tail+=2;

head+=2;

}

IF1 (StringGrid2, head, d1, d1+1);

IF1 (StringGrid2, head, tail, n/4–2);

IF2 (StringGrid2, head, tail, 2*n+4,2*n+3);

}

8. Результаты работы программы

В программе была задана разрядность n = 36 и количество отбрасываемых разрядов k = 31. Разбиение МКП представлено на рис. 2.

Блоки контроля БК_А и БК_Б представлены в приложении 4.

Описание схемы блока контроля БК_А приведено в табл. 4.

Таблица 4

Таблица 4 продолжение

Описание схемы блока контроля БК_Б приведено в табл. 5.

Таблица 5

Таблица 5 продолжение

Список литературы

1. Рабинович З.Л., Раманаускас В.А. Типовые операции в вычислительных машинах. – Киев: Техника, 1980.

2. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов. – М.: Высш. шк. 1987.