JPS6131890B2 - - Google Patents

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JPS6131890B2
JPS6131890B2 JP55105749A JP10574980A JPS6131890B2 JP S6131890 B2 JPS6131890 B2 JP S6131890B2 JP 55105749 A JP55105749 A JP 55105749A JP 10574980 A JP10574980 A JP 10574980A JP S6131890 B2 JPS6131890 B2 JP S6131890B2
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circuits
division
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Akyoshi Kanuma
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication of JPS6131890B2 publication Critical patent/JPS6131890B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は高速演算処理可能なMOS集積化され
た乗除算回路に関する。 従来一般に、乗算回路と除算回路とは別個の独
立した回路構成により実現されているが、近年回
路構成の共通化を図ることが試みられている。と
ころが乗除算機能を同一の集積回路基板上の実現
せんとしても、素子数や消費電力、更には動作遅
延時間等の点で多くの困難が伴つた。 ところで最近、集積回路化に適した乗除算回路
が、例えば D・P・Agrawal“High―speed arithmetic
array”IEEE Trans.Comput.VoL.C―28,
No.3(March 1979)pp.215―224 等が紹介されるに至つている。これに紹介される
乗除算回路は、単位回路内に加算回路のみを設
け、減算処理を「2」の補数加算として実行する
ようにしたもので、従来の単位回路内に加算回路
と減算回路とを並設したものに比して制御性や消
費電力・動作遅延時間等の点で優れた特徴を有し
ている。しかも同乗除算回路はリストアリング
(restoring)方式を採用しているので正確な剰余
も得ることができる等の特徴を有している。とこ
ろが除算実行時にあつて、商の各桁を決定する為
に剰余あるいは被除数から除数を減算可能か否か
の決定をする際、同時桁上回路が高速動作するこ
とが必要であり、従つて論理素子数も少ないこと
が望まれる。ところが、16bitの2進数を相互に
乗算する場合、あるいは31bitの2進数を16bitの
2進数で除算する場合には、271個の反復配列さ
れた単位回路が必要であり、また1つの単位回路
は9ゲートで構成されることから全体的には2439
個のゲートが必要となる。これらのゲートが仮り
にE/D型MOSゲートにて構成されるものとす
ると、その消費電流は1ゲート当り0.1mA、約半
数のゲートが等価的にON動作しているものとす
ると、約125mAにも達する。これ故、その周辺
のレジスタ群や制御回路を含んで集積化を図らん
としても非常な困難が伴つた。そこで上記E/D
型MOSゲートに代えてCMOSゲートを採用して
消費電力の低減を図ることが考えられた。然乍ら
このようにすると、動作速度が遅くなつて演算の
為の時間遅延が問題となり、その上、素子数やチ
ツプ面積の増大を招くと云う新たな問題が生じ
た。 本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、素子数およびチ
ツプ面積の縮少を図り、且つ低消費電力で高速度
な乗除算演算を行い得る簡易な構成のMOS構成
された乗除算回路を提供せんことにある。 即ち本発明の概要は単位回路をCMOSゲートで
構成し、除算用桁上回路をE/D型MOSゲート
で構成することによつて上述した目的を効果的に
達成したものである。 以下、図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。 第1図は実施例回路の全体を示す概略構成図
で、8ビツトの2進数(P0,P1,〜,P7)と同じ
く8ビツトの2進数(B0,B1,〜,B7)を乗算し
て、その乗算値である16ビツトの2進数(S0
S1,〜,S15)を求め、あるいは15ビツトの2進数
(A0,A1,〜,A14)を8ビツトの2進数(B0
B1,〜,B7)で除算してその除算結果である8ビ
ツト2進数(Q0,Q1,〜,Q7)で示される商、お
よび16ビツト2進数(S0,S1,〜,S15)で示され
る余りを求めるものが例示されている。これらの
乗算演算および除算演算は制御信号xによつて選
択的に指定されるもので、その論理は次表(第1
表)の如く示される。
【表】 但し、上記第1表において2進数は (P7,P6,〜,P0)=27・P7+26・P6+……+
20・P0 (B7,B6,〜,B0)=27・B7+26・B6+……+
20・B0 (S15,S14,〜,S0)=215・S15+214・S14…+
20・S0 (A14,A13,〜,A0)=214・A14+213・A13…+
20・A0 なる意味を持つ。 しかして第1図において複数の単位回路1は、
それぞれ後述するように加算回路を含み、反復配
列して接続されている。即ち、単位回路1は8個
を横方向に並列接続して1段を為し、1段毎に1
単位回路ずつシフトして斜配列して8段構成さ
れ、隣接する単位回路1間においてデータ送受を
行う如く接続されている。また別の単位回路1は
上記段間のシフトに対応して合計7個、並列接続
して設けられている。これらの単位回路1群に対
して、第1段目には被乗数である2進数8ビツト
のデータ(B7,B6,〜,B0)が8個の2入力排他
的論理和回路(EX―OR)2を並列的に介して入
力され、また乗数である2進数8ビツトのデータ
(P7,P6,〜,P0)が8個の後述するスイツチ回路
3を並列に介して各段の最上位ビツトである単位
回路1に並列入力されるようになつている。そし
て、これらの単位回路1群を順次介して得られた
演算データは、16ビツト並列加算回路4を介して
乗算値2進数16ビツトのデータ(S15,S14,〜,
S0)として出力されるようになつている。尚、各
段における最下位ビツトに対応した単位回路1の
出力データは2入力論理積回路(AND)5を介
して、次段の最下位ビツトから2番目のビツトに
対応した単位回路1に与えられる。 一方、単位回路1群の各段においては、上位4
ビツトおよび下位4ビツトにそれぞれ対応して、
部分的同時桁上回路6が接続されている。これら
の部分的同時桁上回路6は、その段においてそれ
ぞれ横方向に縦続に接続構成されたもので、各段
における除算処理の桁上演算を行うものである。
そして、第1段目の桁上回路6の出力は、その段
の最上位ビツトに相当した単位回路1の出力と2
入力排他的論理和回路7による論理演算を受けた
のち、前記スイツチ回路3に供給される。また残
る上位段の桁上回路6の出力は4入力排他的論理
和回路8を介して各段にそれぞれ対応した前記各
スイツチ回路3に供給される。これらのスイツチ
回路3より、上記各桁上出力が、各段にそれぞれ
対応した最上位ビツトの単位回路1に入力され
る。これらの桁上回路6の演算を併用した単位回
路1群の演算処理により、第1段目の単位回路
1、および第2段目から第8段目の最下位ビツト
の単位回路1に各々与えられた2進数15ビツトの
データ(A14,A13,〜,A0)が、2入力排他的論
理和回路2を介して第1段目の単位回路1にそれ
ぞれ与えられる2進数8ビツトの除数データ
(B7,B6,〜,B0)により除算されることにな
る。そして、その除算結果である商が、2進数8
ビツトのデータ(Q7,Q6,〜,Q0)として前記排
他的論理和回路7,8の出力から、また2進数16
ビツトの余りデータ(S15,S14,〜,S0)が前記
16ビツト並列加算器4の出力からそれぞれ得られ
る。尚、2入力排他的論理和回路2、スイツチ回
路3、および2入力論理積回路5は、それぞれ前
記制御信号xにより動作制御される。 さて、前記単位回路1は例えば第2図に示すよ
うに構成される。即ち単位回路1は第i桁のビツ
トデータに対して論理演算を行うものであり、ビ
ツトデータAi,Bi,Ci,Diおよびiを入力し
て、次のようなビツトデータBi,Si,Di,Ci+
i+1i+1およびi+1を得ている。 ei+1=Ai・Ci+Bi・(ai○+Ci) Ci+1=Ai・Ci+(ai○+Ci)・Bi・Dii=Ai○+Ci○+(Bi・Di) Gi+1=ei・(Ai○+Bi○+Ci) Hi+1=ei+(Ai○+Bi○+Ci) 即ち単位回路1は第2図に示すように2入力
NAND回路10,11、2入力EX―OR回路1
2,13、2入力NOR回路14,15、2入力
NAND回路16、インバータ回路17,18、そ
してスイツチ回路19,20により加算回路を形
成して構成される。スイツチ回路19,20は先
に説明したスイツチ回路3と同様に例えば第3図
に示す如く、2入力アンド回路21,22、イン
バータ回路23、そして2入力OR回路24にて
論理構成される。そして入力データI1,I2に対
し、制御データDiによつて出力データOutを Out=I1i+I2・Di として得ている。また同様にスイツチ回路3にあ
つては、入力データPi,Qiに対して制御信号x
により、 Di=Pi・+Qi・x なる出力を得ることになる。 かくして上記構成の単位回路1によれば、
AND回路10にてデータAi;Ciの論理演算値
「Ai・Ci」が求められてノア回路14と共にスイ
ツチ回路19のデータ入力端子I1側に供給され
る。またデータAi;CiEX−OR回路12にて
論理演算され、その値「Ai○+Ci」をAND回路1
1およびEX―OR回路13、そしてスイツチ回路
20のデータ入力端子I1側に供給される。AND回
路11は上記EX―OR回路12の出力データと入
力データBiとの論理積「Bi・(Ai○+Ci)」を求め
ており、これを前記NOR回路14に導いてい
る。従つてNOR回路14は、先のAND回路10
の出力データと上記AND回路11の出力データ
とから「iii・(i i)」なる論理値
を得、これを出力データi+1として出力してい
る。またこの出力データi+1はインバータ17
を介して反転されて前記スイツチ回路19の端子
I2側に導かれており、従つてスイツチ回路19は
先のAND回路10の出力データとから「Ai・C
ii+{Ai・Ci+Bi(Ai○+Ci)}Di」なる論

値を得、これを前記出力データCi+1として出力
している。一方、EX―OR回路13はEX―OR回
路12の出力データと入力データBiとから「Ai
○+Bi○+Ci」なる論理値を得ており、これを
NAND回路16、NOR回路15、そしてスイツ
チ回路20の端子I2側に供給している。これによ
つてスイツチ回路20はEX―OR回路12,13
の出力データから「(Ai○+Cii+(Ai○+Bi
○+
i)・Di」なる論理値を得、これを出力データS
iとして出力している。またNOR回路15および
NAND回路16は共にインバータ回路18を介し
た入力データiを入力としており、従つて
NAND回路16は「(i i ii」を、ま
たNOR回路15は「(i i i)+i」なる
データをそれぞれ出力データi+1i+1として
出力している。このようにして論理演算処理して
求められた出力データは、先に説明した論理条件
を満たすことは云うまでもない。 一方、前記4入力排他的論理和回路8は、具体
的には第4図に示すように3つの2入力EX―OR
回路25,26,27にて構成される。即ち、4
つの入力データL1,L2,L3,L4のうちL1,L2
EX―OR回路25にて「L1○+L2」なる論理演算値
として求められたのち、EX―OR回路27に導か
れる。また上記データL3,L4はEX―OR回路26
にて「L3○+L4」なる論理演算が施されてEX―OR
回路27に導かれる。従つてEX―OR回路27で
は、これら前段のEX―OR回路25,26の出力
データ「L1L2,「L3L4」を受けてその排他的
論理和値「(L1L2)(L3L4)」を得ている。
つまりその出力データMが M=L1L2L3L4 として求められている。 また前記部分的同時桁上回路6は例えば第5図
に示すようにインバータ回路27、NOR回路2
8,29,30,31,32により構成される。
インバータ回路27は入力データi+3を反転し
てNOR回路32に供給するもので、またNOR回
路28は入力データi+3i+2の論理データ
i+3i+2」、つまり「Hi+3,Gi+2」を求め
て、これをNOR回路32に供給している。同様
にしてNOR回路29はデータ「Hi+3・Hi+2・Gi
+1」を求め、NOR回路30はデータ「Hi+3・Hi+
・Hi+1・Gi」を求め、更にNOR回路31はデー
タ「Hi+3・Hi+2・Hi+1・Hi・Ci」を求めて、こ
れらのデータをそれぞれNOR回路32に供給し
ている。そしてNOR回路32はこれらのデータ
の否定的論理和値を求め、これを桁上出力データ
i+4として出力している。 このように構成された単位回路1や桁上回路
6、そしてスイツチ回路3等により反復配列して
構成された演算ブロツクによつて、乗除算処理が
行われる。 ところで、上記演算ブロツクの各ビツト出力を
受ける16ビツト並列加算器4は、例えば第6図に
示すように、並列構成された加算回路33および
先の桁上回路6と同様に論理構成された部分的同
時桁上回路34にて構成される。加算回路33は
第7図に示すように全加算器を形成したもので、
4個1組として並列構成され、4組並列的に設け
られている。そして、これらの加算回路33の各
組にそれぞれ対応して同時桁上回路34が設けら
れている。これらの桁上回路34は縦続に接続さ
れて桁上出力を順次上位側の桁上回路34に供給
すると共に、上記桁上出力を前記各組の加算回路
33に供給している。また、これらの桁上出力お
よび演算ブロツクの各ビツトの出力データを受け
る加算回路33は、2入力NAND回路35,3
6、2入力EX―OR回路37,38、オア回路3
9そしてインバータ回路40,41にて構成され
ている。そして入力データAAi,ABiに対して
NAND回路35にて「ii「なる論理デー
タを得、これを出力データiとして出力してい
る。またEX―OR回路37は「AAiABi」なる
論理データを求め、これをインバータ回路40を
介して反転して「i i」を出力データi
として出力している。また出力データSiEX
OR回路38にてインバータ回路40の出力とキ
ヤリー信号iとの論理演算を施すことにより
i i i「として求められている。そし
て、キヤリー信号i+1は、OR回路39、NAND
回路36にて「{(i i)+ACi }・(i
ABi)」なるデータを求め、これをインバータ回
路41を介して反転することによつて生成されて
いる。つまりキヤリー出力i+1i+1iiiii
i として求められる。そして、このように構成され
た16ビツト並列加算回路4によつて乗算結果であ
る「S10,S14,〜,S0」あるいは除算結果の余り
である「S15,S14,〜,S0」が求められている。 このように構成された乗除算回路は、次のよう
に演算処理を実行する。 先ず乗算処理は制御信号xを「0」とすること
により指定される。これによつて被乗数データ
「B7,B6,〜,B0」が、最上位段の単位回路1に
それぞれ入力される。このときデータ入力Ai
iはそれぞれ「0」に保たれ、データ入力がな
されない。またスイツチ回路3は制御信号xが
「0」であることより、乗数データ「P7,P6
〜,P0」を取込み、これを単位回路1の各段最上
位に与えることになる。これによつて各単位回路
1は、入力データAi,Ci、そしてDi,Biを3入
力とする全加算器として動作して桁上出力Ci+1
と和出力Siを得ることになる。そして、各単位
回路1は桁上保存の形態をとつて順次次段の単位
回路1にデータ出力することになるので、最終段
に設けられた16ビツト並列加算回路4にて最終的
な積データ(S15,S14,〜,S0)が得られること
になる。 一方、前記制御信号xを「1」とすることによ
つて除算演算が実行される。この制御信号xによ
つて2入力排他的論理和回路2には、除算データ
(B7,B6,〜,B0)に対する「1」の補数データ
76,〜,0)が準備されることになる。ま
たこのような補数データに対して、最上位段の単
位回路1および各段における最下位桁に相当した
単位回路1には被除数データ(A14,A13,〜,
A0)が与えられる。これらのデータに対してリス
トアリング方式による除算処理が行われる。即
ち、各行において余り若くは被除数から除数が引
けるか否かの引算処理が、除数の「2」の補数に
よる加算として実行される。このとき、その行に
おける最上位ビツトにおいて、桁あふれ、つまり
桁上出力があるか否かにより、存在する場合には
正または零、存在しない場合には負であることに
対応させて商のデータ「1」「0」に対応させ
る。一方、単位回路1は、キヤリーセーブ方式に
従つて結線されているから、該当行における桁あ
ふれのみならず、1つ前の行における、桁あふれ
への寄与も演算に算入する必要がある。この算入
処理が排他的論理和回路8によつて行われる。排
他的論理和回路7,8の出力は除算結果の商
(Q7,Q6,〜,Q0)として出力することのみなら
ず、これをスイツチ回路3を介して各行にそれぞ
れ再入力する。ここで、ei+1,Gi+1,Hi+1は各
行における桁あふれへの寄与を決定する為に用い
られるもので、また除数Biは「1」の補数の形
で用いられる。また「2」の補数加算を実行する
為に、各行の最下位ビツトに相当したei入力に
は制御信号x(=1)が与えられる。また上記G
i+1,Hi+1は同時桁上げにおける生成項および伝
搬項としての意味を有する。そして、各段に設け
られたアンド回路5により、商データが1になる
ときの引算処理実行における最下位ビツトへの
「1」の加算を次段の行において行うようになつ
ている。このようにして各段毎に商のデータ(Q
i)が決定され、最終段においてその余りが求め
られている。 かくしてここに乗除算処理が効果的に実行され
る。 さてここで本回路が特徴とするところは、除算
演算において部分的同時桁上処理を行うことのみ
ならず、単位回路1を第8図に示すようにCMOS
ゲートで構成し、また部分的同時桁上回路6を第
9図に示すようにE/D型MOSゲートで構成し
た点にある。また第10図はCMOSゲートで構成
された加算回路33を示すものであり、この加算
回路33を含む16ビツト並列加算回路4の桁上回
路34は桁上回路6と同様にE/D型MOSゲー
トで構成される。尚、図中51はNチヤンネルエ
ンハンスメント型MOSトランジスタ、52はP
チヤンネルエンハンスメント型MOSトランジス
タ、53はNチヤンネルデプレーシヨン型MOS
トランジスタを示している。 このようなMOS構成とすれば、桁上回路6お
よび加算回路4における動作遅れ時間を全CMOS
構造としたものに比して短縮化することができ
る。その上、チツプ面積の縮小化を図り得る。ま
た、完全同時桁上に比較して部分的同時桁上を行
うので、基本組当りの演算速度を速くすることが
でき、チツプ面積との兼合いの点でも妥協するこ
とが可能となる。しかも単位回路1や並列加算回
路4の加算回路33等がCMOS構造なので、電力
節減を効果的に行い得る。 ところで、本回路における乗数・被乗数、商の
ビツト数をnとした場合、演算処理時間Tは次の
ように与えられる。 T=(n+1)T1+n(T2+T3+T4)+T5+T6
(T3′−T3) 但し、T1:単位回路1の遅延時間 T2:桁上回路4の遅延時間 T3:排他的論理和回路8の遅延時間 T3′:排他的論理和回路8の遅延時間 T4:スイツチ回路3の遅延時間 T5:排他的論理和回路2の遅延時間 T6:並列加算回路4の遅延時間 そして、上記のE/D型MOSゲートにて構成さ
れた回路によつて上記T2,T6の遅延時間短縮化
が図られることになる。 しかして今、CMOSゲートの遅延時間をTC
E/D型MOSゲートの遅延時間をTEとして示し
た場合、上記各回路における遅延時間T1,T2
〜,T6は次のように示される。 T1=5TC+2TE×(n/4) T2=2TE×(n/4) T3=4TC T3′=2TC T4=2TC T5=2TC T6=10TC+2TE×(n/4−1) 但し、これらの遅延時間は、nが4の倍数とし
て示される場合のものである。従つて全体の演算
処理時間Tは T=TC(11n+15)+TE(n+2)(n−1) となる。これに対して全回路をCMOSで構成した
場合には、その演算処理時間T′は T′=TC′(11n+15)+TC(n+2)(n−
1) になることから、その比率αは となる。従つて、TE/TCが1/2であるとすれ
ば、その演算ビツト数nによつて次表第2表に示
す如き演算時間の短縮化を図ることが可能とな
る。
【表】 かくしてここに本発明により、チツプ面積が小
さく、低電力で高速乗除算処理を実行する乗除算
回路が実現される。 以上、本発明の実施例につき説明したが、本発
明はこの実施例のみに限られるものではない。例
えば演算ビツト数は仕様に応じて定めればよいも
のであり、上記ビツト数に対応して部分的桁上回
路の演算ビツトを定めればよい。また単一の除算
回路や開平方回路にも同様に適用することが可能
である。要するに本発明は、その要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の一実施例を示すもので、第1図は
全体構成図、第2図は単位回路の構成図、第3図
はスイツチ回路の構成図、第4図は4入力排他的
論理和回路の構成図、第5図は部分的同時桁上回
路の構成図、第6図は16ビツト並列加算回路の構
成図、第7図は加算回路の構成図、第8図は
CMOSゲートで構成された単位回路を示す図、第
9図はE/D型MOSゲートで構成された部分的
同時桁上回路を示す図、第10図はCMOSゲート
で構成された加算回路の構成図である。 1……単位回路、2……2入力排他的論理和回
路、3……スイツチ回路、4……16ビツト並列加
算回路、5……2入力論理積回路、6……部分的
同時桁上回路、7……2入力排他的論理和回路、
8……4入力排他的論理和回路。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 加算回路を含んで構成された複数の単位回路
    を反復配列して接続すると共に、上記単位回路の
    各桁上出力端子にそれぞれ除算用桁上回路を接続
    してなるMOS集積形の乗除算回路において、前
    記複数の単位回路をそれぞれC―MOSゲートで
    構成し、前記除算用桁上回路をE/D型MOSゲ
    ートで構成したことを特徴とする乗除算回路。 2 除算用桁上回路は所定数の単位回路に対して
    部分的同時桁上げ演算を行うものである特許請求
    の範囲第1項記載の乗除算回路。
JP10574980A 1980-07-31 1980-07-31 Multiplaying and dividing circuits Granted JPS5731042A (en)

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JP10574980A JPS5731042A (en) 1980-07-31 1980-07-31 Multiplaying and dividing circuits
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