Суматор

Сума́тор (англ. adder) — вузол комп'ютера, призначений для утворення суми двох операндів; цифрова схема, яка виконує додавання чисел.

Загальна характеристика суматорів

Позначення суматора на електронних схемах

Реалізація суматора на двох напівсуматорах

Повний двійковий суматор.

Суматором називається функціональний вузол комп'ютера, призначений для додавання двох n-розрядних слів (чисел). Операція віднімання замінюється додаванням слів в оберненому або доповнювальному кодах. Операції множення та ділення перетворюються на реалізації багаторазового додавання та зсуву. Тому суматор є важливою частиною арифметико-логічного пристрою.

Функція суматора позначається літерами SM або Σ.

Ознаки та типи суматорів

Суматор складається з окремих схем, які називаються однорозрядними суматорами; вони виконують усі дії з додавання значень однойменних розрядів двох чисел (операндів). Суматори класифікують за такими ознаками:

• способом додавання — паралельні, послідовні та паралельно-послідовні;
• кількістю вхідних клем — напівсуматори, однорозрядні або багаторозрядні суматори;
• організацією зберігання результату додавання — комбінаційні, накопичувальні, комбіновані;
• системою числення — позиційні (двійкові, двійково-десяткові, трійкові) та непозиційні, наприклад, у системі залишкових класів;
• розрядністю (довжиною) операндів — 8-, 16-, 32-, 64-розрядні;
• способом подання від'ємних чисел — в оберненому або доповнювальному кодах, а також їх модифікаціях;
• часом додавання — синхронні та асинхронні.

Робота паралельних суматорів

У паралельних n-розрядних суматорах значення всіх розрядів операндів поступають одночасно на відповідні входи однорозрядних підсумовуючих схем. У послідовних суматорах значення розрядів операндів та перенесення, які запам'ятовувалися в минулому такті, надходять послідовно в напрямку від молодших розрядів до старших на входи одного одно розрядного суматора. В паралельно-послідовних суматорах числа розбиваються на частини, наприклад, байти, розряди байтів надходять на входи восьмирозрядного суматора паралельно (одночасно), а самі байти — послідовно, в напрямку від молодших до старших байтів з врахуванням запам'ятованого перенесення.

Робота комбінаційних суматорів

У комбінаційних суматорах результат операції додавання запам'ятовується в регістр результату. В накопичувальних суматорах процес додавання поєднується зі зберіганням результату. Це пояснюється використанням Т-тригерів як однорозрядних схем додавання.

Організація перенесення практично визначає час виконання операції додавання. Послідовні перенесення схемно створюються просто, але є повільнодіючими. Паралельні перенесення схемно реалізуються значно складніше, але дають високу швидкодію.

Розрядність суматорів знаходиться в широкому діапазоні 4-16 — для мікроконтролерів, до 32-128 і більше — для продуктивних процесорів.

Суматори з постійним інтервалом часу для додавання називаються синхронними. Суматори, в яких інтервал часу для додавання визначається моментом фактичного закінчення операції, називаються асинхронними. В асинхронних суматорах є спеціальні схеми, які визначають фактичний момент закінчення додавання і повідомляють про це в пристрій керування. На практиці переважно використовуються синхронні суматори.

Характеристики суматорів

Суматори характеризуються такими параметрами:

• швидкодією — часом виконання операції додавання tΣ, який відраховується від початку подачі операндів до одержання результату; нерідко швидкодія характеризується кількістю додавань в секунду FΣ = 1/ tΣ, тут розуміємо операції регістр-регістр (тобто числа зберігаються в регістрах АЛП);
• апаратурними затратами: вартість однорозрядної схеми додавання визначається загальною кількістю логічних входів використаних елементів;
• вартість багаторозрядного суматора визначається загальною кількістю використаних мікросхем;
• потужністю, що споживається.

Класифікація суматорів

Залежно від форми подання інформації розрізняють суматори аналогові і цифрові

За способом реалізації

• механічні.
• електромеханічні.
• електронні.
• пневматичні.

За принципом дії

• На лічильниках, які рахують кількості імпульсів вхідного сигналу.
• Функціональні, що видають на виходах значення логічної функції суми по модулю і логічної функції розряду переносу:
  • логічні, кожен раз обчислюють функцію розряду суми по модулю і функцію розряду переносу.
  • табличні, з таблицями заздалегідь обчислених значень функції розряду суми по модулю і значень функції розряду переносу записаних у постійний запам'ятовувач (PROM) або оперативну пам'ять

Табличні суматори були застосовані в обчислювачах, побудованих на реле в США до Другої світової війни.

За архітектурою

• Чвертьсуматори — бінарні (двохоперандні) суматори за модулем без розряду переносу, що характеризуються наявністю двох входів, на які подаються два однорозрядних числа, і одним виходом, на якому реалізується їх арифметична сума по модулю.
• Напівсуматор — бінарні (двохоперандні) суматори за модулем з розрядом перенесення, які характеризуються наявністю двох входів, на які подаються однойменні розряди двох чисел, і двох виходів: на одному реалізується арифметична сума по модулю в даному розряді, а на іншому — перенесення в наступний (старший) розряд.
• Повні суматори — тернарні (трьохоперандні) суматори за модулем з розрядом перенесення, які характеризуються наявністю трьох входів, на які подаються однойменні розряди двох складаються чисел і перенесення з попереднього (більш молодшого) розряду, і двома виходами: на одному реалізується арифметична сума по модулю в даному розряді, а на іншому — перенесення в наступний (більш старший розряд). Такі суматори з самого початку орієнтовані тільки на показові позиційні системи числення.
• Накопичувальні суматори — забезпечені власною внутрішньою пам'яттю.

За способом дії

• Послідовні (однорозрядні), в яких обробка розрядів чисел ведеться по черзі, розряд за розрядом, на одному і тому ж однорозрядного обладнанні.
• Паралельні (багаторозрядні), в яких складові складаються одночасно в усіх розрядах, і для кожного розряду є своє обладнання.
• Паралельно-послідовні, в яких одночасно паралельно послідовно складаються розряди декількох пар чисел.

За способом організації перенесення

• З послідовним переносом (Ripple-carry adder, Схема послідовного перенесення).
• З прискореним груповим переносом (з передбаченням перенесення) (Carry-lookahead adders, CLA-adders).
• З пропуском перенесення (Carry-skip adder).
• Суматор з умовним складанням (Conditional sum adder).
• З перемиканням перенесення (з вибором перенесення) (Carry-select adder).
• Зі збереженням перенесення (Carry-save adder).

За системою числення

• Двійкові
• Трійкові
• Вісімкові
• Десяткові
• Шістнадцяткові

Див. також

• Булева алгебра
• Адитрон