Назначение и классификация АЛУ.

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ ГБПОУ ВО «Богучарский многопрофильный колледж»

Выполнил студент 4-го курса

Группы КК-152Б

Хорошилов Н.А.

Преподаватель:

Литвинова А.А

Назначение и классификация АЛУ.

АЛУ – одна из основных функциональных частей процессора, осуществляющая непосредственное преобразование информации.

• Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:
• - операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
• - операции двоичной (шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
• - операции десятичной арифметики над числами, представленными в двоично-десятичном коде;
• - операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);
• - операции специальной арифметики (нормализация, сдвиг);
• - логические операции;
• - операции над алфавитно-цифровыми полями.

Для выполнения перечисленных операций в АЛУ включают следующие функциональные узлы:

• - сумматор (для выполнения суммирования и других действий над кодами операндов);
• - регистры (для хранения кодов операндов на время выполнения действия над ними);
• - сдвигатели (для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево);
• - преобразователи (для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный);
• - комбинационные схемы (для реализации логических операций, мультиплексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата).

• Регистры и в некоторых случаях сумматоры имеют цепи управления приемом, выдачей и сбросом кодов операндов. Логические операции, операции сдвига и преобразования кодов могут выполняться не только специальными устройствами, но и с помощью дополнительных связей регистров и сумматора.

Структурная схема АЛУ:

Обобщенная структурная схема АЛУ (рис. 3.18.) включает:

• - блок регистров (БР) для приема и размещения операндов и результатов;
• - операционный блок, в котором осуществляется преобразование операндов в соответствии с реализуемыми алгоритмами;
• - схемы контроля, обеспечивающие непрерывный оперативный контроль и диагностирование ошибок; - блок управления (БУ), в котором после приема кода операции (КОП) из центрального устройства управления формируются управляющие сигналы (УС), координирующие взаимодействие всех узлов АЛУ между собой и с другими блоками процессора.

АЛУ как отдельная микросхема

• Обычно АЛУ четырехразрядные и для наращивания разрядности объединяются с формированием последовательных или параллельных переносов.
• В силу самодвойственности выполняемых операций условное обозначение и таблица истинности АЛУ встречаются в двух вариантах, отличающихся взаимно инверсными значениями переменных.

АЛУ как отдельная микросхема

• АЛУ имеет входы операндов А и В, входы выбора операций S, вход переноса C i  и вход М (Моdе), сигнал которого задает тип выполняемых операций: логические (М = 1) или арифметико-логические (М = 0). Результат операции вырабатывается на выходах F, выходы G и Н дают функции генерации и прозрачности, используемые для организаций параллельных переносов при наращивании размерности АЛУ. Сигнал C 0 — выходной перенос, а выход А = В есть выход сравнения на равенство с открытым коллектором.

Операции АЛУ

• Перечень выполняемых АЛУ операций дан в след.таблице. Для краткости двоичные числа s3s2s1s0 представлены их десятичными эквивалентами. Под утолщенными обозначениями 1 и 0 следует понимать наборы 1111 и 0000, входной перенос поступает в младший разряд слова, т. е. равен 000Сi. При арифметических операциях учитываются межразрядные переносы.

Операции АЛУ

Операции АЛУ

• Шестнадцать логических операций позволяют воспроизводить все функции двух переменных.
• В логико-арифметических операциях встречаются и логические и арифметические операции одновременно.

Операции АЛУ

• Запись типа А\/! В + АВ следует понимать так: вначале поразрядно выполняются операции инвертирования (В), логического сложения (А\/В) и умножения (АВ), а затем полученные указанным образом два четырехразрядных числа складываются арифметически.

Соединение нескольких АЛУ

• При операциях над словами большой размерности АЛУ соединяются друг с другом с организацией последовательных или параллельных переносов.
• В последнем случае совместно с АЛУ применяют микросхемы — блоки ускоренного переноса, получающие от отдельных АЛУ функции генерации и прозрачности, а также входной перенос и вырабатывающие сигналы переноса.

Соединение несколько АЛУ

Выходы компаратора в АЛУ

• На предыдущем рисунке показаны способы выработки сигналов сравнения слов для группы АЛУ. Выход сравнения на равенство выполняется по схеме монтажной логики для выходов типа ОК.
• Комбинируя сигнал равенства слов с сигналом переноса на выходе группы при работе АЛУ в режиме вычитания, легко получить функции FA≥B и FA≤B. Если А В), то получим FA≥B = 1.

Функции регистров, входящих в АЛУ

• Рг1 — аккумулятор (или аккумуляторы) — главный регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;
• Рг2,Рг3 — регистры операндов (слагаемого/сомножителя/делителя/делимого и др.) в зависимости от выполняемой операции;
• Рг4 — регистр адреса (или адресные регистры), предназначенные для запоминания (бывает что формирования) адреса операндов результата;
• Рг6 — k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;
• Рг7 — l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Микропроцессорные АЛУ простейшего типа

• Первые микропроцессорные АЛУ простейшего типа были универсальными и могли выполнять стандартный набор микроопераций. Программируя последовательность микроопераций можно было реализовать множество операций. На рисунке 4.6 приведена схема АЛУ  включающая 3 ступени.
• 1-я ступень предназначена для выполнения логических и арифметических операции на уровне формирования полусуммы  2-я ступень предназначена для формирования переноса  3-я ступень - для формирования полных сумм. Ai, Bi - разряды операндов. Сигналы S 0 , S 1 , S 2 , S 3  задают входные сигналы АЛУ  S 4 определяет тип операции (арифметическая или логическая) и учет переноса при выполнении арифметической операции.

АЛУ имеет очень простую структуру

• RGA – это регистр, хранящий значение числа A
• RGB – это регистр, хранящий значение числа И
• SM -- сумматор
• RGSM – регистр, хранящий значение с выхода сумматора (результат операции сложения

История создания АЛУ

• Разработчик компьютера ENIAC , Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. В 1945 году он опубликовал первые научные работы по новому компьютеру, названному EDVaC (Electronic Discrete Variable Computer) . Годом позже он работал со своими коллегами над разработкой компьютера для Принстонского института новейших исследований.

• Архитектура этого компьютера позже стала прототипом архитектур большинства последующих компьютеров. В своих работах фон Нейман указывал устройства, которые, как он считал, должны присутствовать в компьютерах. Среди этих устройств присутствовало и АЛУ.

• Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции включая сложение, вычитание, умножение и деление.

Архитектура ЭВМ на примере машины фон-Неймана

• Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, к которому программист обратиться не может.