Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices с использованием Visual DSP++ - Олег Вальпа

Теперь рассмотрим операции вычислительного устройства MAC, входные форматы данных, обработку переполнения и насыщения.

Набор стандартных операций MAC приведен в табл. 15.2.

Таблица 15.2 Набор стандартных операций MAC

Операция Назначение X*Y Умножение X на Y MR+X*Y Умножение X на Y и сложение с MR MR-X*Y Умножение X на Y и вычитание из MR 0 Очистка MR

Как было сказано выше, сигнальный процессор ADSP-2181 обеспечивает два режима работы операций умножения с накоплением. Первый из них — режим работы с дробными числами в формате 1.15. Второй — режим работы с целыми числами в формате 16.0.

В дробном режиме выходной регистр P корректирует формат, т.е. прежде чем добавить значение в MR, оно сдвигается на один разряд влево. Таким образом, бит 31 регистра P запишется в 32-й разряд регистра MR, а 0-й разряд — в первый. В позицию младшего разряда (LSB) при этом записывается ноль. На рис. 15.2 показан дробный формат работы модуля умножения.

Рис. 15.2. Дробный формат работы модуля умножения

В целочисленном формате (рис. 15.3) регистр P не сдвигается, прежде чем прибавиться к MR.

Рис. 15.3. Целочисленный формат

Выбор режима осуществляется установкой 4-го разряда регистра MSTAT процессора. Если этот разряд установлен в 1, то выбран целочисленный режим. В любом формате блок умножения формирует 32-разрядный результат и передает его в блок сложения/вычитания, где получается конечное значение операции, которое записывается в MR.

Регистры ввода-вывода MAC

В операциях MAC обрабатываются данные, которые поступают на порты X и Y, а результат операций выводится на шину R. Ниже приведен перечень регистров, доступных для этих портов.

Регистры для входного порта X — MX0, МХ1, AR, MR0, MR1, MR2, SR0, SR1.

Регистры для входного порта Y — MY0, MY1, MF.

Регистры для выходного порта R — MR (MR0, MR1, MR2), MF.

Входные форматы данных

Для облегчения умножения входные операнды могут находиться в любых форматах. Входные форматы определяются как часть команды и выбираются динамически при обращении к блоку умножения.

Формат: «знаковый * знаковый» — используется при умножении двух знаковых чисел простой точности или двух старших частей знаковых чисел двойной точности.

Формат: «без знака * знаковый» или «знаковый * без знака» — используется при умножении верхней части знакового числа на нижнюю часть другого или для умножения знакового числа простой точности с числом той же точности без знака.

Формат: «без знака * без знака» — используется при умножении чисел простой точности без знака или нижних частей знаковых чисел двойной точности.

Операции над регистром MR

Как показано на рис. 15.1, регистр MR разбит на три регистра: MR0 (биты 0-15), MR1 (биты 16-31) и MR2 (биты 32-39). Каждый из этих регистров может быть загружен с DMD-шины и выведен на R-шину или DMD-шину. Регистр MR2 связан с младшими восемью разрядами этих шин. Во время передачи данных MR2 на R-шину или DMD-шину происходит добавление 8 знаковых разрядов для расширения числа до 16 разрядов. Кроме того, при загрузке данных с DMD-шины в регистр MR1 регистр MR2 служит как добавление регистра MR1, и заполняется значением старшего знакового разряда MR1. Для того чтобы загрузить в регистр MR2 данные, отличные от знакового разряда MR1, необходимо загружать MR2 после загрузки MR1. Загрузка регистра MR0 не влияет на регистры MR0 и MR1.

Насыщение и переполнение MAC

После каждой операции блок сложения/вычитания генерирует сигнал переполнения MV, который подключен к регистру состояния арифметики процессора ASTAT. Бит MV устанавливается в единицу, если результат сложения выходит за границы регистров MR1/MR2 — 32 бита, т.е. если все девять старших разрядов регистра MR одновременно не нули или не единицы.

Регистр MR имеет возможность насыщения в определенном положительном или отрицательном значении, если происходит переполнение. Насыщение зависит от состояния бита MV регистра состояний арифметики ASTAT и бита MSB регистра MR2. Операцию насыщения описывает табл. 15.3.

Таблица 15.3 Описание операции насыщения

Флаг MV Старший разряд MR2 Содержимое регистра MR после операции 0 0 или 1 Без изменений 1 0 00000000 0111111111111111 1111111111111111 (положительное) 1 1 11111111 1000000000000000 0000000000000000 (отрицательное)

Насыщение в MAC является скорее командой, чем режимом, как в ALU. Она используется при завершении последовательности умножений с накоплением, таким образом, чтобы промежуточные переполнения не привели сумматор к насыщению.

Переполнение больше старшего разряда MSB недопустимо. В обратном случае знаковый разряд будет потерян, и насыщение не будет правильным. Однако, чтобы достигнуть этого состояния, требуется 255 циклов переполнения.

Округление

В сумматоре MAC можно округлять 40-разрядный результат на границе между 15-м и 16-м разрядами. Округление относится к системе команд процессора. Округленный результат направляется либо в регистр MR, либо в регистр обратной связи MF. Когда для вывода используется MF, в него записывается 16-разрядный округленный результат. Аналогично, если для вывода выбран MR, то в MR1 записываются 16 разрядов округленного результата, а в регистр MR2 результат округления, таким образом, получается 24-разрядный округленный результат.

Сумматор производит процедуру округления без смещения. Стандартный метод смещенного округления состоит в записи единицы в 15-й разряд. Этот метод вызывает положительное смещение, так как срединное значение числа, когда MR=0x8000 округляется в сторону увеличения. Сумматор устраняет это смещение, принудительно устанавливая шестнадцатый разряд в ноль, когда значение регистра MR достигает середины. При этом четные значения MR1 округляются в сторону уменьшения, а нечетные в сторону увеличения. Таким образом достигается нулевое смещение при выборе множества равномерно распределенных значений. Для наглядности сказанного выше, в табл. 15.4 приведено два примера операций округления результата.

Таблица 15.4 Примеры операций округления результата

Операнды и операции Регистры MR2 MR1 MR0 Пример 1 Неокругленное значение, где 15-й разряд равен 1 xxxxxxxx xxxxxxxx 00100101 1xxxxxxxxxxxxxxx Прибавление 1 к 15-му разряду и учет переноса 100000000 0000000 Округленное значение xxxxxxxx хххххххх 00100110 0xxxxxxxxxxxxxxx Пример 2 Неокругленное значение, где 15-й разряд равен 1, а разряды с 0-го по 14-й равны нулю xxxxxxxx хххххххх 00100110 100000000 0000000 Прибавление 1 к 15-му разряду и учет переноса 100000000 0000000 Неокругленное значение, где бит 16 равен 1 xxxxxxxx хххххххх 00100111 00000000 00000000 Установка 16-го разряда в ноль и получение округленного значения xxxxxxxx хххххххх 00100110 00000000 00000000

x — произвольное значение (0 или 1).

В первом примере число не является срединным и производится его стандартное округление.

Во втором примере число имеет срединное значение, поэтому его 16-й разряд устанавливается в ноль. Алгоритм округления применяется для каждой операции округления, но становится очевидным лишь при таком наборе младших бит, который показан в примере 2.