JP4290203B2 - リダクションアレイの装置および方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ブース乗算器あるいはアレイ乗算器などで生成される部分積を合成するための装置および方法に関する。
情報処理システム等によって実行される多くの処理は、2進数の乗算を必要とする。乗算関数では、被乗数(multiplicand)と乗数(multiplier)が存在する。よく知られるように、2進数の乗算は、まず、被乗数が乗数の第1ビットと掛け合わされる。つづいて、被乗数が乗数の第2ビットと掛け合わされ、その結果得られた値が、1桁シフトされて、積同士が加算される。このプロセスが、乗数のすべてのビットが被乗数と掛け合わせられるまで繰り返される。
被乗数と、乗数のある1ビットとを掛け合わせて得られる積は、部分積と呼ばれる。2進数の乗算と被乗数を掛け合わせて生成される部分積は、ブール符号化アルゴリズムあるいはアレイ乗算器などを利用して生成される。最終的な積は、もっとも右の桁から左の桁へと桁上げしながら、部分積を積算することにより生成される。
部分積を積算するための従来の手法は、多くの処理サイクルを必要とした。2つのNビットの2進数の加算の計算量は、O(log(N))に比例するため、単純な加算は、和を算出するために好ましい手法とはいえない。乗算のプロセスにおいて部分積の加算を実行するための先行技術として多くのキャリーセーブ型の加算手法が存在する。これらのキャリーセーブ型の加算手法は、3ビットの数をC(carry)およびS(sum)で表される2ビットの数に変換する。この変換は、3対2圧縮と呼ばれる。3対2圧縮器は、4対2圧縮器などのより高次の圧縮器を形成するために、カスケード接続される場合もある。3対2圧縮器および4対2圧縮器は、さらに高次の圧縮器を形成するためにカスケード接続される場合があり、これらはリダクションアレイ(reduction array)と呼ばれる。
リダクションアレイの伝搬遅延は、とりわけ多くの部分積が計算される場合に演算処理システムのスループットに非常に大きな影響を与える。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的のひとつは、遅延時間を短縮したリダクションアレイ技術の提供にある。
本発明のある態様によれば、4つの部分積のビットストリームを積算し、キャリーセーブ出力対を生成する方法あるいは装置が提供される。この方法もしくは装置は、4つの部分積のビットストリームをd0、d1、d2、d3とし、同じ部分積リダクションアレイ内の隣接する圧縮回路からのキャリー入力のビットストリームをCinとするとき、キャリーアウト出力対の一部であるセーブ出力Sを、ブール論理式
S=d3 XOR ((d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin))
に従って生成する。
ある態様の方法もしくは装置は、diを、d0、d1、d2あるいはd3のいずれかとしたとき、キャリーセーブ出力対の一部であるキャリー出力Cを、
(i) (d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)が真のとき、ブール論理式
C=di or Cin
に従って生成してもよい。また、
(ii) (d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)が偽のとき、ブール論理式
C=d3
に従って生成してもよい。なお、本明細書において小文字で記される「or」は、論理和ではなく、いずれかであることを示す。
ある態様の方法もしくは装置は、同じ部分積リダクションアレイ内の隣接する圧縮回路に受け渡すべきキャリー出力Coutを、ブール演算式
Cout=d0・d1+d1・d2+d0・d3
に従って生成してもよい。
ある態様の別の態様によれば、部分積を積算するリダクションアレイの装置あるいは方法が提供される。この装置あるいは方法は、3つの部分積のビットストリームを受け、第1のキャリーセーブ出力対C1、S1を生成する3対2圧縮回路と、第1の4つの部分積のビットストリームを受け、第2のキャリーセーブ出力対C2、S2を生成する第1の4対2圧縮回路と、第2の4つの部分積のビットストリームを受け、第3のキャリーセーブ出力対C3、S3を生成する第2の4対2圧縮回路と、を備える。3対2圧縮回路のキャリー出力C1は、第1の4対2圧縮回路に対する部分積の入力のひとつとして結合され、3対2圧縮回路のキャリー出力S1は、第2の4対2圧縮回路に対する部分積の入力のひとつとして結合される。
なお、本明細書において、XORは排他的論理和、ORは和を表現するものとする。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図1は、2つの2進数の積を生成するために、部分積を生成してこれらを積算する実施の形態に係る乗算回路100の構成を示すブロック図である。乗算回路100は、符号化回路102およびセレクタ回路104を含む部分積回路101と、リダクションアレイ回路120と、を備える。当業者であれば、本明細書の説明によって、乗算回路100の設計指針に応じて、異なる構成の部分積回路101が利用可能であることを理解できよう。たとえば、従来の、あるいは将来において開発されるであろうブースアルゴリズムあるいはアレイ乗算器を、部分積回路101の実装に利用することができる。
好ましい実施の形態において、符号化回路102は、それぞれ、乗数106に含まれるビットの組(基数2の2進数)を、各ビットの組ごとに基数4の数を表現する符号化されたビットに変換し、信号線108に出力する。ブース符号化アルゴリズムは、基数2の乗数を、基数4の乗数であって、{−2、−1、−0、1、2}からなるデジタル値の集合のいずれかの数を表現する乗数に変換する。その結果、部分積の個数は1/2に減少する。
セレクタ回路104は、信号線108上の符号化されたビットの組を受けるとともに、被乗数および乗数の部分積の各ビットを生成するために、被乗数110に含まれるビットの組を受ける。好ましい実施の形態において、セレクタ回路104はマルチプレクサとして機能し、それぞれのセレクタ動作は、被乗数に含まれる基数2のビットの組を入力(すなわち被セレクト信号)として受け、乗数に含まれる基数2のビットの組をセレクト信号として利用する。ある乗数に含まれる基数2のビットの組に対するセレクタ動作の出力の集合は、部分積となる。
乗算回路100は、最終回路112をさらに備える。最終回路112は、リダクションアレイ回路120からキャリー出力Cおよびセーブ出力Sを受け、乗数106および被乗数110の最終的な積を生成する。キャリーセーブ型の加算手法では、最終回路112は2C+Sを算術演算し、最終的な積を生成する。
図2は、図1のリダクションアレイ回路120の詳細な構成を示すブロック図である。リダクションアレイ回路120は、複数の圧縮回路122、124、126、128を含む。各圧縮回路は、部分積回路101により生成されたいくつかの部分積のビットストリームを受け、部分積ごとにキャリーセーブ出力対を出力する。圧縮回路122、124、126それぞれは、リダクションアレイ回路120の初段に配置され、中間キャリーセーブ出力対を生成し、最終段の圧縮回路、すなわち圧縮回路128は、最終的なキャリーセーブ出力を生成する。
好ましい形態において、3対2圧縮回路124は、3つの部分積のビットストリームを受け、第1のキャリーセーブ出力対C1、S1を生成する。3つの部分積が入力される3対2圧縮回路124の端子は、d0、d1、d2である。
第1の4対2圧縮回路122は、第1の4つの部分積のビットストリームを受け、第2のキャリーセーブ出力対C2、S2を生成する。4つの部分積が入力される端子は、d0、d1、d2、d3であるが、本実施の形態において、入力端子d3は、それ自体は部分積のビットストリームを受け取らず、かわりに、入力端子d3には、3対2圧縮回路124から出力されるキャリー出力C1が入力される。また、リダクションアレイ回路120は、第2の4つの部分積のビットストリームを受け、第3のキャリーセーブ出力対C3、S3を生成する第2の4対2圧縮回路126を備える。第1の4対2圧縮回路122と同様に、第2の4対2圧縮回路126は、その入力端子d3に部分積のビットストリームを受けず、3対2圧縮回路124から出力されるセーブ出力S1を受ける。
後述するように、本実施の形態に係るリダクションアレイ回路120によれば、それぞれの圧縮回路による信号の伝搬を速めることができ、乗算回路100のスループットを改善することができる。
図3は、図2の3対2圧縮回路124の好適かつ詳細な構成を示す回路図である。当業者であれば、図3の回路図は説明のための例示であって、本発明の範囲において、従来のあるいは将来において利用可能な別の3対2圧縮回路が利用可能であることは理解されよう。3対2圧縮回路124の機能は図4に示される。図4は、3対2圧縮回路124の入力x、y、zと、キャリーセーブ出力C、Sの関係を示す真理値表である。この真理値表から、3対2圧縮回路124のデジタル論理は、以下の式で表されることが明らかとなる。
x+y+z=2C+S
したがって、たとえば、3対2圧縮回路124への入力x、y、zが1、1、1の場合、3対2圧縮回路124は、2C+S=3となるCおよびSを生成する。すなわち、C=1、S=1である。同様の解析が、その他のx、y、zの組み合わせに適用できる。
図3の具体的な構成について説明する。3対2圧縮回路124は、多数決回路130と、キャリーセーブ出力それぞれを生成するための組み合わせ論理機能を実行する複数のデジタル論理ゲート132と、を備える。具体的には、多数決回路130は、キャリー出力Cを生成する。キャリー出力Cは、以下のブール論理式で表される。
C=x・y+y・z+x・z
論理ゲート132は、以下のブール演算式にしたがって、セーブ出力Sを生成する。
S=z XOR (x XOR y)
ここで、単位遅延の考え方を導入すると、多数決回路130の信号伝搬遅延は、1.0、論理ゲート132の信号伝搬遅延は1.5+1.5=3.0と表現することができる。これらのリダクションアレイ回路120の伝搬遅延については、後に考察する。
図5は、図2の4対2圧縮回路122、126、128の好適かつ詳細な構成を示す回路図である。説明のため、図5の回路は、4対2圧縮回路122の詳細な論理回路を表現している。4対2圧縮回路122は、多数決回路130、複数の論理ゲート133、134、136、138、マルチプレクサ回路140を備える。多数決回路130は、図3において説明した方法と実質的に同様の方法の機能を有する。具体的には、多数決回路130は、リダクションアレイ回路120内で隣接する圧縮回路に入力されるキャリー出力Coutを生成する。キャリー出力Coutは、以下の式によって表現される。
Cout=d0・d1+d1・d2+d0・d3
なお、4対2圧縮回路128としては、図5の回路に代えて従来の図6の回路を使用してもよい。
複数の論理ゲート133、134、136および138は、論理ゲート138が以下のブール演算式にもとづいたセーブ出力Sを生成するように接続される。
S=d3 XOR((d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin))
ここで、Cinは、リダクションアレイ回路120内で隣接する圧縮回路から出力されるビットストリームのキャリー入力である。
マルチプレクサ回路140は、論理ゲート136の出力を利用して制御され、マルチプレクサ回路140の出力は、キャリー出力Coutとなる。マルチプレクサ回路140の第1の入力は、diまたはCinであり、第2の入力は、d3である。参照符号diは、4対2圧縮回路122に入力される部分積を特定するものであり、すなわち、d0、d1、d2のいずれかである。論理ゲート136の出力信号は、次のブール論理式で表される。
(d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)
マルチプレクサ回路140の出力は、論理ゲート136の出力が真(=1、すなわちハイレベル)のとき、
C=di or Cin
となる。ここで「or」は、いずれか一方であることを示す。すなわち、Cは、d0〜d2もしくはCinのいずれか1つを示す。反対に、マルチプレクサ回路140の出力は、論理ゲート136の出力が偽(=0、すなわちローレベル)のとき、
C=d3
となる。なお、図2のリダクションアレイ回路120には、3つの4対2圧縮回路が含まれるが、すべての4対2圧縮回路について、(di or Cin)としてどの信号を設定するかは同一とする。
図2および図5を参照しながら、伝搬遅延について考察する。多数決回路130の伝搬遅延は、上述のように1.0と表現したとする。入力d0、d1、d2からセーブ出力Sまでの伝搬遅延は、各論理ゲート133、134、136、138に対応する伝搬遅延1.5を用いて表現される。入力d0、d1、d2からセーブ出力Sまでの全伝搬遅延は4.5となる。したがって、4対2圧縮回路122内の最長の伝搬遅延は、キャリー入力Cinを供給するリダクションアレイ回路120内の隣接する圧縮回路の部分積の入力を、4対2圧縮回路122に割り当てることにより定めることができる。本実施の形態において、4対2圧縮回路のような隣接する圧縮回路からのキャリー出力Coutは、4対2圧縮回路122のキャリー入力Cinとなっている。上述したように、多数決回路130への部分積の入力から、Cout信号線までの伝搬遅延は、1.0と表される。4対2圧縮回路122のCin信号線への信号入力に伝搬遅延をあてはめると、4対2圧縮回路122全体の遅延は、5.5となる。4対2圧縮回路122のその他の経路は、いずれも5.5より小さくなっている。
以下で説明するように、リダクションアレイ回路120の各ステージごとの5.5という伝搬遅延は、従来のリダクションアレイ回路に比べて短くなっている。
図6は、従来の4対2圧縮回路の詳細な回路図である。なお、図6の4対2圧縮回路と、図5の4対2圧縮回路は、共通する回路トポロジが存在するものの、図6の4対2圧縮回路のキャリーセーブ出力C、Sのブール論理式は、図5の4対2圧縮回路122とは異なっている。
図7は、従来のリダクションアレイ回路のブロック図である。図7において、複数の3対2圧縮回路124および従来の4対2圧縮回路129が、図2の回路と圧縮比が実質的に同等となるように接続されている。3対2圧縮回路124(図3)の論理ゲート132の伝搬遅延は3.0であり、図7のリダクションアレイ回路の2つのステージ(4対2圧縮回路129までの)が部分積にもたらす伝搬遅延は6.0である。したがって、上述した本実施の形態に係るリダクションアレイ回路120の伝搬遅延5.5は、従来のリダクションアレイ回路に対して、著しく改善されたものとなっている。これは、図1の乗算回路100において乗数106と被乗数110の乗算を実行する上で、大変な優位性をもたらす。
本明細書において説明した方法あるいは装置はたとえば、現在において利用可能であり、あるいは将来において開発される標準的なデジタル回路、アナログ回路、マイクロプロセッサ、デジタル信号処理回路、ソフトウェアやファームウェアを実行可能なプロセッサ、プログラム可能なデジタル機器やシステム、プログラム可能なアレイ論理デバイス、あるいはこれらの組み合わせなどの公知の技術を利用することにより実現される。
実施の形態にもとづき、本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
2つの2進数の積を生成するために、部分積を生成してこれらを積算する実施の形態に係る乗算回路の構成を示すブロック図である。 図1のリダクションアレイ回路の詳細な構成を示すブロック図である。 図2の3対2圧縮回路の好適かつ詳細な構成を示す回路図である。 3対2圧縮回路の入力x、y、zと、キャリーセーブ出力の関係を示す真理値表である。 図2の4対2圧縮回路の好適かつ詳細な構成を示す回路図である。 従来の4対2圧縮回路の詳細な回路図である。 従来のリダクションアレイ回路のブロック図である。
符号の説明
100 乗算回路、 101 部分積回路、 102 符号化回路、 104 セレクタ回路、 108 信号線、 120 リダクションアレイ回路、 130 多数決回路、 132 論理ゲート、 140 マルチプレクサ回路、 202A 第1回路、 202B 第2回路、 202C 第3回路、 202D 第4回路、 112 最終回路。

Claims (10)

  1. 少なくとも3つの部分積のビットストリームを受け、キャリーセーブ出力対を生成する4対2圧縮回路であって、
    4つの部分積のビットストリームをd0、d1、d2、d3とし、同じ部分積リダクションアレイ内の隣接する圧縮回路からのキャリー入力のビットストリームをCinとするとき、
    前記キャリーアウト出力対の一部であるセーブ出力Sを、ブール論理式
    S=d3 XOR ((d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin))
    に従って生成する論理ゲートを備えることを特徴とする4対2圧縮回路。
  2. diを、d0、d1、d2あるいはd3のいずれかとしたとき、
    前記キャリーセーブ出力対の一部であるキャリー出力Cを、
    (i) (d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)が真のとき、ブール論理式
    C=di or Cin
    に従って生成し、
    (ii) (d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)が偽のとき、ブール論理式
    C=d3
    に従って生成するマルチプレクサ回路をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の4対2圧縮回路。
  3. 同じ部分積リダクションアレイ内の隣接する圧縮回路に受け渡すべきキャリー出力Coutを、ブール演算式
    Cout=d0・d1+d1・d2+d0・d3
    に従って生成する多数決回路をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の4対2圧縮回路。
  4. 部分積を積算するリダクションアレイであって、
    3つの部分積のビットストリームを受け、第1のキャリーセーブ出力対C1、S1を生成する3対2圧縮回路と、
    第1の4つの部分積のビットストリームを受け、第2のキャリーセーブ出力対C2、S2を生成する第1の4対2圧縮回路と、
    第2の4つの部分積のビットストリームを受け、第3のキャリーセーブ出力対C3、S3を生成する第2の4対2圧縮回路と、
    を備え、
    前記3対2圧縮回路のキャリー出力C1は、前記第1の4対2圧縮回路に対する前記部分積の入力のひとつとして結合され、前記3対2圧縮回路のキャリー出力S1は、前記第2の4対2圧縮回路に対する前記部分積の入力のひとつとして結合されることを特徴とするリダクションアレイ。
  5. 前記第1、第2の4対2圧縮回路の少なくともひとつは、4つの部分積のビットストリームをd0、d1、d2、d3とし、隣接する圧縮回路からのキャリー入力のビットストリームをCinとするとき、
    前記キャリーセーブ出力対の一部である前記セーブ出力Sを、ブール論理式
    S=d3 XOR ((d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin))
    に従って生成することを特徴とする請求項4に記載のリダクションアレイ。
  6. 前記第1、第2の4対2圧縮回路の少なくともひとつは、diを、d0、d1、d2あるいはd3のいずれかとしたとき、
    前記キャリーセーブ出力対の一部であるキャリー出力Cを、
    (i) (d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)が真のとき、ブール論理式
    C=di or Cin
    に従って生成し、
    (ii) (d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)が偽のとき、ブール論理式
    C=d3
    に従って生成するマルチプレクサ回路をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載のリダクションアレイ。
  7. 隣接する圧縮回路に受け渡すべきキャリー出力Coutを、ブール演算式
    Cout=d0・d1+d1・d2+d0・d3
    に従って生成する多数決回路をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載のリダクションアレイ。
  8. 4つの部分積のビットストリームを積算し、キャリーセーブ出力対を生成する方法であって、
    前記4つの部分積のビットストリームをd0、d1、d2、d3とし、同じ部分積リダクションアレイ内の隣接する圧縮回路からのキャリー入力のビットストリームをCinとするとき、
    前記キャリーアウト出力対の一部であるセーブ出力Sを、ブール論理式
    S=d3 XOR ((d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin))
    に従って生成するステップを備えることを特徴とする方法。
  9. diを、d0、d1、d2あるいはd3のいずれかとしたとき、
    前記キャリーセーブ出力対の一部であるキャリー出力Cを、
    (i) (d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)が真のとき、ブール論理式
    C=di or Cin
    に従って生成し、
    (ii) (d0 XOR d1) XOR (d2 XOR Cin)が偽のとき、ブール論理式
    C=d3
    に従って生成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 同じ部分積リダクションアレイ内の隣接する圧縮回路に受け渡すべきキャリー出力Coutを、ブール演算式
    Cout=d0・d1+d1・d2+d0・d3
    に従って生成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項8または9に記載の方法。
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