×
14.03.2019
219.016.df4d

Арифметико-логическое устройство и способ преобразования данных с использованием такого устройства

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002681702
Дата охранного документа
12.03.2019
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в увеличении производительности устройства при решении задач дискретной математики. Устройство включает в себя три входа данных, вход кода операций, выход данных, блок циклического сдвига на 8, 16, 24 бита, блок инверсии, блок наложения маски '0×FF', АЛУ 1, выполняющий операции сложения операндов, вычитания операндов, логические операции AND, OR, XOR, сдвиг на 1-7 битов первого операнда, передача одного из операндов на выход, АЛУ 2 №1 и АЛУ 2 №2, выполняющие операции сложения операндов, логические операции AND, OR, XOR, передача первого операнда на выход. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Область техники

Настоящее устройство относится к цифровым вычислительным устройствам, а именно к элементам вычислительных машин с запоминаемой программой.

Предшествующий уровень техники

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является, принятое за прототип, арифметико-логическое устройство высокопроизводительного криптографического процессора Cryptoraptor (Gokhan Sayilar, Derek Chiou. Cryptoraptor: High Throughput Reconfigurable Cryptographic Processor ISBN: 978-1-4799-6277-8), которое состоит из блока арифметики AU, блока логических операций LOU, блока вращения и сдвига SRU, блока опроса таблиц TLU и блока перемешивания PEU. Причем, блок арифметики AU имеет четыре входных порта для передачи данных шириной четыре байта, один выходной порт для передачи данных шириной один байт, сумматор Adder, вычитатель Subtracter, четыре блока для выполнения операции XOR, три мультиплексора, два модуля для сложения и вычитания по модулю 8 и 2 модуля для сложения и вычитания по модулю 16. Блок логических операций LOU имеет 6 входных портов для передачи данных, один выходной порт для передачи данных и восемь модулей логических преобразований CLB.

Арифметико-логическое устройство криптографического процессора Cryptoraptor имеет древовидную структуру и позволяет реализовать большую часть алгоритмов дискретной математики, причем стоит отметить, что блок арифметики AU позволяет реализовать за такт одну операцию сложения и одну операцию вычитания по модулю 8, 16 или 32 двух операндов. Отсутствие возможности провести суммирование более чем двух операндов за один такт в арифметико-логическом устройстве замедляет работу некоторых криптографических алгоритмов, например, MD5. Также, за счет широкого покрытия возможных операций арифметико-логическое устройство криптографического процессора Cryptoraptor содержит большое количество различных функциональных узлов, требующих большое количество аппаратных ресурсов для их реализации.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является структура блока арифметики AU, позволяющая реализовать за один такт работы сложение только двух операндов, а также большое количество функциональных узлов данного арифметико-логического устройств и их архитектурная сложность.

Задача изобретения

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в создании высокопроизводительного арифметико-логического устройства для решения задач дискретной математики, требующего малое количество аппаратных ресурсов для ее реализации.

Техническим результатом изобретения является увеличение производительности устройства при решении задач дискретной математики и уменьшение количества аппаратных ресурсов, требующихся для его реализации.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается за счет того, что арифметико-логическое устройство (АЛУ) для решения задач дискретной математики, содержит:

- три внешние группы входа данных,

- внешнюю группу входа кода операций и внешнюю группу выхода данных,

- блок циклического сдвига, вход данных которого соединен с входом данных №1, вход команды блока циклического сдвига соединен с входом кода операций, а выход данных со вторым входом блока инверсии, содержащий мультиплексор MX 1, входы данных которого соединены с входом данных №1, причем на второй вход мультиплексора подан операнд с входа данных №1 циклически сдвинутый на 8 бит вправо, на третий вход операнд с входа данных №1 циклически сдвинутый на 16 бит вправо, а на четвертый вход операнд с входа данных №1, циклически сдвинутый на 24 бита вправо, причем первый, управляющий, вход мультиплексора MX 1 соединен с входом команды блока циклического сдвига, а выход с выходом блока циклического сдвига,

- блок инверсии, первый вход которого соединен с входом кода операций, а выход со вторым входом данных блока маски, содержащий модуль сложения по модулю 2, первый вход которого соединен с первым входом блока инверсии, второй вход со вторым входом блока инверсии, а выход - с выходом блока инверсии,

- блок маски, первый вход которого соединен с входом кода операций, а выход с входом А АЛУ 1 и с входом А АЛУ 2 №2, состоящий из элемента логического И, первый вход которого соединен с первым входом блока маски, второй вход со вторым входом блока маски, а выход - с выходом блока маски,

- АЛУ 1, вход Б которого соединен с входом данных №2, вход К с входом кода операций, а выход с входом А АЛУ 2 №1, которое содержит модуль сложения по модулю два, первый вход которого соединен с входом К, второй вход с входом Б, а выход со вторым входом сумматора ADD, сумматор ADD, первый вход которого соединен с входом А, а выход - с первым входом мультиплексора MX 2, модуль сложения по модулю два, первый вход которого соединен с входом А, второй вход соединен с входом Б, а выход - со вторым входом мультиплексора MX 2, модуль логического ИЛИ, первый вход которого соединен с входом А, второй вход соединен с входом Б, а выход с третьим входом мультиплексора MX 2, модуль логического И, первый вход которого соединен с входом А, второй вход соединен с входом Б, а выход с четвертым входом мультиплексора MX 2, мультиплексор MX 2, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый входной порт которого соединен с входом А, причем на входы мультиплексора подается операнд с входа А циклически сдвинутый вправо на 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 бит соответственно, двенадцатый вход соединен с входом А, тринадцатый вход с входом Б, управляющий вход с входом К, а выход - с выходом АЛУ 1,

- АЛУ 2 №1, вход Б которого соединен с выходом АЛУ 2 №2, вход К с входом кода операций, а выход с выходом данных, которое содержит сумматор ADD, первый вход которого соединен с входом А, второй вход с входом Б, а выход с первым входом мультиплексора MX 3, модуль сложения по модулю два, первый вход которого соединен с входом А, второй вход с входом Б, а выход со вторым входом мультиплексора MX 3, модуль логического ИЛИ, первый вход которого соединен с входом А, второй вход с входом Б, а выход с третьим входом мультиплексора MX 3, модуль логического И, первый вход которого соединен с входом А, второй вход с входом Б, а выход с четвертым входом мультиплексора MX 3, мультиплексор MX 3, пятый вход которого соединен с входом А, управляющий вход с входом К, а выход с выходом АЛУ 2 №2,

- АЛУ 2 №2, внутренняя структура которого совпадает с внутренней структурой АЛУ 2 №1, а вход Б которого соединен с входом данных №3 и вход К которого соединен с входом кода операций, внутренняя структура которого совпадает со структурой АЛУ 2 №1.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается также за счет того, что способ обработки с использованием описанного арифметико-логического устройства для решения задач дискретной математики включает следующие этапы, на которых:

- на входы данных описанного устройства подают операнды, а на вход поля команд подают требуемую команду,

- соответствующие разряды команды подают на мультиплексоры и элементы сложения по модулю два в блоках описанного устройства,

- блоки описанного арифметико-логического устройства выполняют требуемый набор арифметико-логических операций над операндами, в соответствии с кодом поданной команды.

Также заявленный способ может характеризоваться тем, что набор выполняемых команд связан с набором арифметико-логических операций следующим образом:

- если два младших бита требуемой команды равны '00', '01', '10', '11', блок циклического сдвига будет выполнять операцию циклического сдвига вправо операнда с входа данных №1 на 0, 8, 16, 24 бита соответственно;

- если третий бит требуемой команды равен '1', блок инверсии будет выполнять операцию логической инверсии операнда с выхода блока вращения, в противном случае, операнд изменяться не будет;

- если биты требуемой команды от четвертого до тридцать пятого включительно принимают значения от '0×00000000' до '0×FFFFFFF', блок маски выполнит операцию маскирования операнда с значением в соответствующих битах команды, если бит команды равен '0', то соответствующий ему бит операнда на выходе блока маски будет равен '0', а если бит команды равен '1', то бит операнда будет равен значению соответствующего бита операнда на входе блока маски;

- если биты требуемой команды от тридцать шестого до тридцать девятого включительно принимают значения от '0000' до '1110', то соответственно АЛУ 1 будет выполнять операции - передача операнда А, передача операнда Б, логический сдвиг на 1-7 бит операнда А, операция сложения операндов по модулю 2, логическая операция ИЛИ над операндами, логическая операция И над операндами, вычитание из операнда А операнда Б, сложение операндов;

- если биты требуемой команды от сорокового до сорок второго включительно принимают значение от '000' до '101', соответственно малый АЛУ 2 №1 будет выполнять операции - передача операнда А на выход, операция сложения операндов по модулю два, логическая операция ИЛИ над операндами, логическая операция И над операндами, сложение операндов.

Сущность изобретения заключается в том, что арифметико-логическое устройство включает в себя три входа данных, вход кода операций, выход данных, блок циклического сдвига на 8,16, 24 бита, блок инверсии, блок наложения маски '0×FF', АЛУ 1, выполняющий операции сложения операндов, вычитания операндов, логические операции AND, OR, XOR, сдвиг на 1-7 битов первого операнда, передача одного из операндов на выход, АЛУ 2 №1 и АЛУ 2 №2, выполняющие операции сложения операндов, логические операции AND, OR, XOR, передача первого операнда на выход.

Способа преобразования данных с использованием такого устройства содержит этапы подачи команды и данных на входы устройства, передачи соответствующих разрядов команды на каждый из блоков устройства и выполнения блоками устройства соответствующей операции над операндами.

Краткое описание чертежей

Устройство поясняется фиг. 1, на которой представлена структурная схема арифметико-логического устройства.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

- элемент логического И,

- модуль сложения по модулю 2,

- модуль логического ИЛИ,

ADD - сумматор,

>>N - циклический сдвиг на N бит вправо,

MX 1, 2, 3 - мультиплексоры,

Арифметико-логическое устройство состоит из блока циклического сдвига, состоящего из мультиплексора MX 1, блока инверсии, состоящего из модуля сложения по модулю два, блока маски, состоящего из модуля логического И, АЛУ 1, состоящего из модуля сложения по модулю 2, сумматора ADD, модуля сложения по модулю 2 операндов, модуля логического ИЛИ, модуля логического И и мультиплексора MX 2, АЛУ 2 №1 и АЛУ 2 №2, состоящих из сумматора ADD, модуля сложения по модулю два операндов, модуля логического ИЛИ, модуля логического И и мультиплексора MX 3.

Подробное описание сущности изобретения

Арифметико-логическое устройство работает следующим образом. Первый, второй и третий операнды подаются на соответствующие входы данных. При этом на вход кода операции подается команда, задающая операции над операндами, которые должны быть выполнены блоками арифметико-логического устройства. Соответствующие разряды команды подаются на управляющие входы мультиплексоров и на вход некоторых модулей логических преобразований.

Если два младших бита команды равны '00', '01', '10', '11', блок циклического сдвига будет выполнять операцию циклического сдвига вправо операнда с входа данных №1 на 0, 8, 16, 24 бита соответственно.

Если третий бит команды равен '1', блок инверсии будет выполнять операцию логической инверсии операнда с выхода блока вращения, в противном случае, операнд изменяться не будет.

Если биты команды от четвертого до тридцать пятого включительно принимают значения от '0×00000000' до '0×FFFFFFF', блок маски выполнит операцию маскирования операнда с значением в соответствующих битах команды, если бит команды равен '0', то соответствующий ему бит операнда на выходе блока маски будет равен '0', а если бит команды равен '1', то бит операнда будет равен значению соответствующего бита операнда на входе блока маски.

Если биты команды от тридцать шестого до тридцать девятого включительно принимают значения от '0000' до '1110', то соответственно АЛУ 1 будет выполнять операции - передача операнда А, передача операнда Б, логический сдвиг на 1-7 бит операнда А, операция сложения операндов по модулю 2, логическая операция ИЛИ над операндами, логическая операция И над операндами, вычитание из операнда А операнда Б, сложение операндов.

Если биты команды от сорокового до сорок второго включительно принимают значение от '000' до '101', соответственно малый АЛУ 2 №1 будет выполнять операции - передача операнда А на выход, операция сложения операндов по модулю два, логическая операция ИЛИ над операндами, логическая операция И над операндами, сложение операндов.

Примеры осуществления изобретения

Предлагаемое арифметико-логическое устройство для решения задач дискретной математики может быть реализовано на базе ПЛИС Xilinx XC7V585 вычислительного устройства из 512-ти процессорных элементов. Ширина шины данных входов и выходов устройства составляет 4 байта, а частота работы тактового сигнала работы арифметико-логического устройства составляет 250 МГц.

Для оценки количества занимаемых ресурсов необходимых для реализации арифметико-логического устройства на СБИС была проведена оценка с использованием библиотечных элементов 28 нм технологического процесса в САПР Cadence RTL Compiler системы из 512-ти процессорных элементов. Одно арифметико-логическое устройство в данном устройстве занимает около 1250 кв. мкм, что в более чем 20 раз меньше, чем суммарная площадь блоков AU, LOU, SRU арифметико-логического устройства в рассмотренном прототипе около 28000 кв. мкм (Table III).

Одной из задач дискретной математики является алгоритм вычисления криптографической хэш-функции MD5. Графическая схема, в которой показаны этапы расчета одного раунда MD5 в прототипе представлена на Figure 7.17 диссертации (Gokhan Sayilar, Cryptoraptor: High Throughput Reconfigurable Cryptographic Processor for Symmetric Key Encryption and Cryptographic Hash Functions. PhD dissertation. The University of Texas. Austin. 2014). Из раздела 7.3.2 данной диссертации следует, что реализация одного раунда MD5 на двух процессорных элементах требует 4 такта, причем второй процессорный элемент используется для суммирования операндов A, Mi, Ki и позволяет сократить требуемое для реализации количество тактов на один. Таким образом, выполнение одного раунда MD5 на одном арифметико-логическом устройстве криптографического процессора Cryptoraptor (прототип) занимает 5 тактов.

Реализация раунда MD5 в предлагаемом устройстве занимает 4 такта, причем выигрыш в производительности обусловлен наличием в малом арифметико-логическом блоке №2 сумматора, что позволяет выполнять суммирование трех операндов A, Mi и Ki за один такт.

Таким образом, в предлагаемом арифметико-логическом устройстве, в сравнении с прототипом - арифметико-логическим устройством криптографического процессора Cryptoraptor, при работе на одной тактовой частоте, достигается повышение производительности на задачах дискретной математики, в которых возможно ускорение работы за счет реализации суммирования трех операндов. Повышение производительности в предлагаемом арифметико-логическом устройстве достигается за счет наличия второго модуля сумматора в малом арифметико-логическом блоке №2.

Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод о том, что предлагаемое арифметико-логическое устройство и способ преобразования решают поставленную задачу - создание высокопроизводительного арифметико-логического устройства для решения задач дискретной математики, требующего малое количество аппаратных ресурсов для его реализации, и соответствует заявляемому техническому результату - повышению производительности устройства при решении задач дискретной математики и уменьшению количества аппаратных ресурсов, требующихся для его реализации.


Арифметико-логическое устройство и способ преобразования данных с использованием такого устройства
Арифметико-логическое устройство и способ преобразования данных с использованием такого устройства
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 174.
13.01.2017
№217.015.88dc

Одномодовый плазмонный волновод

Изобретение относится к плазмонной интегральной оптике и может быть использовано при конструировании компонентов плазмонных устройств различного назначения. Одномодовый плазмонный волновод, выполненный в виде заполненного диэлектриком протяженного V-образного канала в пленке металла на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002602737
Дата охранного документа: 20.11.2016
25.08.2017
№217.015.b204

Квантовый генератор случайных чисел

Изобретение относится к квантовым генераторам случайных чисел и может быть использовано в криптографии. Техническим результатом является повышение качества, степени надежности и скорости генерации. Устройство содержит источник фотонов, однофотонный детектор, измеритель времени, задающий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613027
Дата охранного документа: 14.03.2017
25.08.2017
№217.015.b401

Генератор плазмонных импульсов терагерцовой частоты

Изобретение относится к технике генерации импульсов терагерцовой частоты. Генератор плазмонных импульсов терагерцовой частоты включает спазер в режиме пассивной модуляции добротности на основе активной среды, помещенной в резонансную структуру, образованную в тонкой пленке металла, размещенной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613808
Дата охранного документа: 21.03.2017
25.08.2017
№217.015.c0b4

Устройство для изготовления интегральной оптической волноводной структуры

Изобретение относится к области изготовления трехмерных интегральных оптических волноводных структур. Устройство для изготовления интегральной оптической волноводной структуры в оптически прозрачном образце с показателем преломления n, включающее в себя трехмерную систему перемещения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617455
Дата охранного документа: 25.04.2017
25.08.2017
№217.015.d079

Устройство для сейсмической разведки

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для проведения подводной многомерной сейсмической разведки на акваториях, покрытых льдом. Устройство для сейсмической разведки снабжено буксируемой капсулой. Капсула состоит из правого и левого бортов, в которых на специальных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621272
Дата охранного документа: 01.06.2017
25.08.2017
№217.015.d304

Способ подводной сейсмической разведки

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поиска и уточнения строения месторождений углеводородов и других полезных ископаемых на акваториях, покрытых льдом круглогодично или большую часть года, и повышения эффективности процесса их освоения. При реализации...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621638
Дата охранного документа: 06.06.2017
25.08.2017
№217.015.d32a

Сеть квантового распределения ключей

Изобретение относится к области сетевой волоконно-оптической квантовой криптографии - к защищенным информационным сетям с квантовым распределением криптографических ключей. Технический результат - создание сети с возможностью реконфигурации, а также обладающей большей выживаемостью при потере...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621605
Дата охранного документа: 06.06.2017
26.08.2017
№217.015.de15

Подводный буровой модуль для бурения нефтяных и газовых скважин

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровым модулям, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин на шельфах морей. Подводный буровой модуль, имеющий открытую рамную конструкцию, включает буровую вышку с вертикальными направляющими для бурильной машины,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002624841
Дата охранного документа: 07.07.2017
26.08.2017
№217.015.e62e

Система детектирования одиночных фотонов

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается системы детектирования одиночных фотонов. Система включает в себя приемный модуль с приемной зоной, блок ориентации, оптический модуль и световод, который имеет оболочку с первым и вторым окончаниями и сердцевину с первым и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627025
Дата охранного документа: 02.08.2017
29.12.2017
№217.015.f0bd

Композиция для получения полупроницаемой пористой мембраны

Изобретение относится к составу формовочного раствора для получения нетканого материала методом электроформования и может использоваться для получения водоупорной, воздухо-, паропроницаемой мембраны, а также регулирования комплекса эксплуатационных свойств мембранного материала. Композиция...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002638981
Дата охранного документа: 19.12.2017
Показаны записи 1-6 из 6.
08.03.2019
№219.016.d35d

Вычислительный модуль для многостадийной многопоточной обработки цифровых данных и способ обработки с использованием данного модуля

Изобретение относится к области вычислительной техники. Техническим результатом изобретения является повышение производительности и энергетической эффективности многостадийных многопоточных вычислений в вариативных задачах дискретной математики и цифровой обработки. Указанный результат...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002681365
Дата охранного документа: 06.03.2019
30.05.2019
№219.017.6bad

Вычислительный модуль и способ обработки с использованием такого модуля

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат изобретения заключается в повышении производительности многопотоковых вычислений в вариативных задачах дискретной математики за счет параллельной работы специализированных процессорных элементов по общей программе с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002689433
Дата охранного документа: 28.05.2019
18.10.2019
№219.017.d79f

Пакетная сеть для мультипроцессорных систем и способ коммутации с использованием такой сети

Изобретение относится к области вычислительной техники. Техническим результатом является уменьшение задержки при передаче данных между ядрами и сокращение аппаратных ресурсов, а также расширение функциональных возможностей в части реализации прямого доступа в память любого абонента. Он...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002703231
Дата охранного документа: 15.10.2019
13.12.2019
№219.017.ed76

Вычислительный модуль для многопотоковой обработки цифровых данных и способ обработки с использованием данного модуля

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к вычислительным устройствам с многопотоковой архитектурой. Техническим результатом является повышение производительности вычислительного модуля за счет обеспечения синхронизации работы вычислительных потоков, исполняемых на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708794
Дата охранного документа: 11.12.2019
09.03.2020
№220.018.0a83

Широкодиапазонный генератор импульсов с кратно дробной автоподстройкой частоты

Изобретение относится к области генерирования импульсов. Технический результат достигается за счет автоматической подстройки частоты при использовании в цифровых многопроцессорных системах в качестве широкодиапазонного перестраиваемого генератора тактовой частоты. Широкодиапазонный генератор с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716222
Дата охранного документа: 06.03.2020
27.05.2023
№223.018.71ab

Способ организации сетевого процессорного устройства

Изобретение относится к области компьютерных сетей. Технический результат заключается в обеспечении сохранения разметки произвольных сетевых транспортных протоколов без снижения значения пропускной способности сетевого процессорного устройства. Посредством буферизирующего логического устройства...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002755987
Дата охранного документа: 23.09.2021
+ добавить свой РИД